硬件设计：防雷电路实例分析
低压直流电源DC12V24V防雷设计保护电路
低压直流电源DC12V/24V防雷设计保护电路陶瓷气体放电管的应用背景：一直以来，在低压电源端口的雷击保护器件的选型方面，人们更多的是选择压敏电阻MOV或者瞬态抑制二极管TVS，但是，由于压敏电阻MOV在失效时会引起火灾，普通600W或者1500W的TVS通流能力又很小，而现在很多客户对测试等级的要求又很高，尤其是用于基站的产品，防护等级可达到3KA@8/20μS，如此一来，选择气体放电管GDT 作为防护器件才能满足市场需求。
可是常规气体放电管GDT又会带来续流问题，因此，选择合适的气体放电管GDT才能根本解决低压电源端口的雷击保护问题。
二、采用气体放电管保护的传统方案的问题：针对DC12/24V和AC24V端口的雷击保护传统的方案通常都选择常规的两端和三端气体放电管GDT来作为保护器件，旧方案如下：上述图的陶瓷气体放电管老方案，四点的不足：（1）GDT的体积大：（2）气体放电管GDT的残压高：体放电管的弧光压低：GDT的弧光压比电源电压低，就会导致续流的危险。
（4）供电电源浮地时，气体放电管GDT容易误动作供电电源出现浮地时，应用上图传统的方案时，由于气体放电管的阻抗很大，所以在放电管两端会叠加一个很高的电压，如果气体放电管GDT的直流开启电压过低（方案中用的是直流击穿电压90V的GDT），则会导致放电管GDT误动作，此时气体放电管会处于“常亮”的状态，致使系统的供电能力下降甚至丧失。
由此可见，选择90V的气体放电管，很容易发生误动作的危险。
四、解决方案：使用常规GDT用于低电压电源端口时，存在上述四点缺陷。
凯泰电子为此研制的新型气体放电管GDT:BC301N-D，可弥补常规气体放电管的不足之处。
BC301N-D的应用方案：陶瓷气体放电管BC301N-D有以下四个优势：（1）体积小：（2）残压低（3）弧光压高：弧光压比电源电压高，不会发生续流的危险（4）供电电源浮地时，BC301N-D不容易误动作BC301N-D的直流开启电压是300V，常规的气体放电管是90V的，因此供电电源浮地时，BC301N-D相比不轻易发生误动作。
内外部防雷装置系统设计的案例分析
内外部 防雷装置 系统 设计 的案例分析
摘要 ： 现代化建筑物 的防雷设计， 对保护建筑物的安全十分必要。本文从接闪器、 引下线、 接地装置等外部防雷装置的设计进行 了探讨， 并从屏蔽处理及布线设置、 等 电位联结带（ 网） 、 浪涌保护系统设计、 供 电系统 的防雷设计、 信号系统的防雷设计、 网络系统的 防 雷设 计 等角 度提 出 了内部 防 雷装置 设 计方 案 。 关键 词 ： 防雷； 外部 防 雷装 置 ； 内部 防 雷装置 ； 系 统设 计
… … … 。 ：
Ｉ ： 一 ！ ＂ － －Ｉ ＝ Ｉ Ｉ
３ ． ３ 浪 涌保 护 系统 设计 ３ ． ３ ． １ 供 电 系统 的防 雷设 计
１ 项 目背景 分析
某 工 程 占地 面积 约５ ３ ３ ２ ８ ， 建筑面积２ １ ０ ０ ０ ｒ ｄ， 为 多层 框 架 和 钢结 构 相 结合的结构 ， 是德州市２ ０ １ １ 年城建计划的３ Ｏ 项重点工程之一。该馆坐落于经 济开发区内， 占地 面积较大 ， 且地理位置空旷 。馆内藏有许多珍贵的历史文
物， 其价值不可估量 ， 防雷安全至关重要。根据德州市近３ Ｏ 年的雷暴 资料分 析， 该市年平均雷暴 日为２ ４ ． ４ ｄ ， 最多年雷暴 日为４ ２ ｄ ， 属于多雷 区。雷电期（ 一 年中初雷 日与终雷 日之间的天数） 最长为２ ０ ６ ｄ ， 最晚曾出现于１ ｌ Ｙ Ｊ １ ４ 日。
２ 防雷设 计 的必要 性分 析
建筑物的现代化指建筑设施的现代化和业务活 动领域的现代化， 以此为 基础 设 计 五大 体 系 ， 即安全 技术 防 范 系统 、 楼宇 自动化 控 制 系统 、 电 化教 育 系 统、 业务信息 网络计算机综合管理系统等。 因此 ， 智能化系统的雷电过电压及 电磁于扰防护是机房线路 、 设备及人身安全的重要技术手段 ， 是确保数据线 路、 设备运行 、 安全防范不可缺少的技术环节， 是现代建筑智能化系统数据通 信网建设及运行管理工作 的重要组成部分。
以太网接口防雷电路
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以太网接口防雷电路：
/0402
说明：
1、此电路为以太网接口的标准防雷电路，包括了初级和次级防雷保护电路。
应用于以太网口可能接到
室外的产品。
2、此电路要求产品有接大地的接口，如果没有，初级防雷保护电路的共模防护将不起作用。
3、此电路采用的POE以太网接口作为例子，C700 – C703使用4个电容为POE电路考虑，如果没有
POE电路，可共用为一个电容，请参见普通的以太网接口电路。
4、防护器件：
D703 – D706，D708，D709组成初级防护，接的地为大地，U701、U702构成次级防护，接的地为数字地。
D703 – D706，D708，D709防护器件典型型号：摈城BF091F。
防护器件的选择要根据对以太网口的雷击测试要求来定。
电路的简化：
由于在很多认证中，不做以太网接口的差模雷击测试，而在实际使用中，共模雷击为主要的雷击失效原因，对电路可做简化，去掉D708、D709。
进一步的电路简化：只考虑共模雷击测试和实际使用中的共模雷击防护，最小电路为：去掉D703、D705、D708、D709、U701、U702，防护器件只保留D704、D706。
在做电路的简化前，需要明确测试和使用的要求，在成本和性能之间取得平衡。
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网口防雷电路设计
网口防雷电路设计防护思路首先，网口的防雷可以采用两种思路：一种思路是要给雷电电流以泄放通路，把高压在变压器之前泄放掉，尽可能减少对变压器影响，同时注意减少共模过电压转为差模过电压的可能性。
另一种思路是利用变压器的绝缘耐压，通过良好的器件选型与PCB设计将高压隔离在变压器的初级，从而实现对接口的隔离保护。
室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。
1.室外走线网口防雷电路当有可能室外走线时，端口的防护等级要求较高，防护电路可以按图设计。
图中室外走线网口防护电路的基本原理图，从图中可以看出该电路的结构与室外走线E1口防雷电路类似。
共模防护通过气体放电管实现，差模防护通过气体放电管和TVS管组成的二级防护电路实现。
图中G1和G2是三极气体放电管，型号是leiditech 3R090-5S，它可以同时起到两信号线间的差模保护和两线对地的共模保护效果。
中间的退耦选用2.2Ω/2W电阻，使前后级防护电路能够相互配合，电阻值在保证信号传输的前提下尽可能往大选取，防雷性能会更好，但电阻值不能小于2.2Ω。
后级防护用的TVS管，因为网口传输速率高，在网口防雷电路中应用的组合式TVS管需要具有更低的结电容，这里推荐的器件型号为上海雷卯电子SLVU2.8-4。
图中下方的原理图就是采用上述器件网口部分的详细原理图。
三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。
电路设计需要注意RJ45接头到三极气体放电管的PCB走线加粗到40mil，走线布在TOP层或BOTTOM层。
若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。
退耦电阻到变压器的PCB走线建议采用15mil线宽。
该防雷电路的插入损耗小于0.3dB，对100M以太网口的传输信号质量影响比较小。
防雷电路分析
以下是一个防雷电路的初端，运用了压敏电阻、气体放电管。
压敏电阻是一种限压型保护器件，可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。
压敏电阻的失效模式主要是短路，当然，当通过的过电流太大时，也有可能造成阀片被炸裂而开路。
气体放电管也是一种电路保护器件，但它的工作原理是气体放电，当两极间电压足够大时，极间气体间隙被击穿，由原来的绝缘态转化为导电状态，类似短路，却不同于短路，因为导通状态下两极间维持了比较低的电压，一般在20~50v，可以很好地保护后级电路，美中不足的是，它的响应时间比较慢，性能有待提高！整个电路比较简单，因为其那面已经阐明，那只是防雷电路的初级部分，虽然看起来比较简单，实质却不然，良好的开端是成功的一般，以前很多的带网口设备没有考虑防雷的问题，就造成了很多的隐患，也出过很多的故障，很重要啊！关于电路的分析：本电路为一个复合对称电路，与共模、差模全保护，因此L、N可以随便接，安全。
压敏电阻短路失效后，由于有气体放电管的保护，一般不会引起火灾。
实际上，若是在每个压敏电阻的后面串接工频保险丝是最好的，交流电路防止工频过电压瞬间击穿压敏电阻引起火灾。
压敏电阻过电压高一点的更安全、耐用。
下面，根据理论分析，再结合资料的配合，设计及使用防雷电路时必须注意的几点：1.放电管的加入不能影响线路的正常工作，这就要保证放电管的直流击穿电压的下限值必须高于线路的最大正常工作电压。
据此确定所需放电管的标称直流击穿电压值。
2.确定线路所能承受的最高瞬时电压值，要确保放电管的冲击击穿电压值必须低于此值。
以确保当瞬间过压来临时，放电管的反映速度快于线路的反映速度，抢先一步将过电压限制在安全值。
这是放电管的一个最重要的指标。
3.根据线路中可能窜入的冲击电流强度，确定所选用放电管必须达到的耐冲击电流能力（如：在室外一般选用10kA以上等级；在入室端一般选用5kA等级；在设备终端处一般选用1kA左右等级）。
网口防雷电路设计
网口防雷电路设计防护思路首先，网口的防雷可以采用两种思路：一种思路是要给雷电电流以泄放通路，把高压在变压器之前泄放掉，尽可能减少对变压器影响，同时注意减少共模过电压转为差模过电压的可能性。
另一种思路是利用变压器的绝缘耐压，通过良好的器件选型与PCB设计将高压隔离在变压器的初级，从而实现对接口的隔离保护。
室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。
1.室外走线网口防雷电路当有可能室外走线时，端口的防护等级要求较高，防护电路可以按图设计。
图中室外走线网口防护电路的基本原理图，从图中可以看出该电路的结构与室外走线E1口防雷电路类似。
共模防护通过气体放电管实现，差模防护通过气体放电管和TVS管组成的二级防护电路实现。
图中G1和G2是三极气体放电管，型号是leiditech 3R090-5S，它可以同时起到两信号线间的差模保护和两线对地的共模保护效果。
中间的退耦选用2.2Ω/2W电阻，使前后级防护电路能够相互配合，电阻值在保证信号传输的前提下尽可能往大选取，防雷性能会更好，但电阻值不能小于2.2Ω。
后级防护用的TVS管，因为网口传输速率高，在网口防雷电路中应用的组合式TVS管需要具有更低的结电容，这里推荐的器件型号为上海雷卯电子SLVU2.8-4。
图中下方的原理图就是采用上述器件网口部分的详细原理图。
三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。
电路设计需要注意RJ45接头到三极气体放电管的PCB走线加粗到40mil，走线布在TOP层或BOTTOM层。
若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。
退耦电阻到变压器的PCB走线建议采用15mil线宽。
该防雷电路的插入损耗小于0.3dB，对100M以太网口的传输信号质量影响比较小。
建筑物雷电防护实用案例解析
建筑物雷电防护实用案例解析建筑物雷电防护一直以来都是建筑工程中非常重要的一环。
雷电是一种具有瞬时性、强大能量和高温的自然灾害，如果没有合适的防护措施，会对建筑物和人员造成巨大的损害。
因此，建筑物雷电防护被广泛应用于各种建筑物中，以减少雷电引起的破坏和危害。
在实际的建筑工程中，我们常常会选择不同的防护系统和设备来应对雷电威胁。
以下是几个实际案例，通过对它们的解析，我们可以更好地理解建筑物雷电防护的实用性和有效性。
案例一：办公楼某市的办公楼位于一个常年雷电频繁的地区，为了保护建筑和办公人员的安全，建筑师在设计过程中充分考虑了雷电防护的措施。
首先，在建筑物顶部设置了针对雷电冲击的避雷针系统，避雷针通过接地系统与地下大地形成导电通道，将雷电能量安全地引流到地下。
此外，办公楼的墙壁和屋顶都采用了导电材料，并与避雷针系统相连接，形成了完整的防护网。
在办公楼的内部，还设置了有效的防雷装置。
例如，电脑和其他敏感设备都使用了防雷插座，以保护这些设备免受雷电冲击。
办公室内部的金属支架也被连接到地下的接地系统，以增加整个办公楼的雷电防护能力。
通过这些综合防护措施，办公楼成功地抵御了多次雷电袭击。
没有发生大规模的电力损失和人员伤亡事件，保证了办公楼和工作人员的安全。
案例二：医院建筑医院作为一个重要的公共建筑，积极采取防雷措施以确保一切正常运转。
例如，在医院的屋顶上安装了避雷针系统和大面积的金属网，这样可以更有效地吸收并分散雷电的电能。
此外，医院的窗户和外墙也覆盖了导电层，以提供额外的防护。
医院内部的防护系统更加精细，每个病房、手术室和电子设备房都安装有独立的防雷装置。
医院还建立了整个建筑物的接地系统，使得整个医院成为一个巨大的雷电防护系统。
这些防护措施在一次强雷电天气中得到了验证。
当雷电击中附近的建筑时，医院完全没有受到影响，一切设备和电力供应都正常运行。
这再次证实了建筑物雷电防护在保障公众安全方面的重要性。
案例三：高层住宅高层住宅的建筑物雷电防护同样需要高标准的设计和实施。
防雷电路设计_精
1、交流电源防雷电路采用复合对称电路，共模、差模全保护，L、N可以随便接，正常工作时无漏电流。
①压敏电阻RV1短路失效后易引起火灾，可在每个压敏电阻串接陶瓷气体放电管、温度保险管，最好串联工频保险丝以防工频过电压瞬间击穿压敏电阻起火；②选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（压敏电压相近）③陶瓷气体放电管失效模式大多为开路，不易引起火灾，当两者同时短路时亦会有危险；根据要求的通流容量选择，气体放电管和压敏电阻都必须按照冲击10次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。
④温度保险管应与压敏电阻有良好的热耦合，一般采用130℃～135℃、10A/250V的；⑤玻璃放电管可代替陶瓷气体放电管（当要求的通流容量≤3KA时）⑥输出电流较大时，要在线上串联自恢复保险丝PTC单向与三相串联式交流电源：2、直流电源防雷电路（-48V、24V、110V）3、信号线路防雷电路①、R2金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：R1自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））；②陶瓷气体放电管、TVS 管、半导体过压保护器（只适用于电路中没有连续直流电压的场合）的直流击穿电压根据信号电压幅度选择；③本电路适用于传输高频/高速信号（最高频率可达20MHZ）。
采用低电容TVS 管或半导体过压保护器。
传输频率/速率≥10MHz，Cj≤60pF；传输频率/速率≥100MHz，Cj≤20pF；4、天溃防雷①保护效果很好，残压低，可以同时传送电源，适用于天线带放大器或不带放大器的场合。
②腔体和输入、输出接头是根据系统所用接头类型、传输信号频率范围专门设计加工的。
在户外使用时，腔体、接头和盖板都必须设计成防水的。
③陶瓷气体放电管一般选用通流容量20kA、直流击穿电压90V的，压敏电阻一般选用20D100K型；TVS管击穿电压根据传输直流电压或交流电压峰值选取（VBRmin≥1.2UDC或VBRmin≥1.2Up）。
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硬件设计：防雷电路实例分析
防雷保护电路在工业电路板上是十分常见的应用电路，今天就让我们一探究竟。
广州致远电子有限公司的环境动力监控系统中，对所有的端口都进行了防雷保护设计，其中包括220V交流电源防雷设计、以太网防雷保护、DI输入端口防雷保护、AI输入端口防雷保护、RS232/RS485防雷保护，下面将对这些防雷保护电路一一进行分析。
1.1.1220V交流电源防雷保护
环境动力监控系统中电源采用220V交流电源供电，前端所使用的防雷保护电路详见图1
图1 220V交流电源防雷保护电路
由于采用了复合对称电路与共模、差模全保护，因此L、N可以随便接，安全。
即便压敏电阻短路失效后与电路脱离，一般也不会引起火灾。
根据实际的使用经验U2最容易遭受雷击损坏，由于压敏电阻本身的老化或承受暂时过电压的多次冲击，压敏电阻的漏电流迅速增加发热导致短路失效。
压敏的短路失效将造成整个供电线路的短路故障，并引起着火、爆炸等威胁到人身和财产安全的严重事故。
本电路由于采用了金属氧化锌压敏电阻U2，因此能有效地避免传统的氧化锌压敏电阻因短路失效可能带来的火灾等安全隐患。
与此同时，如果因为雷击损坏时，其隔离的熔断保险丝将同时熔断，主机CPU可以在LS_Check端检测到相应的信号，从而起到雷击损坏报警功能。