信号口浪涌防护电路设计
浪涌防护设计思路与常见防护电路
摘要： 浪 涌 冲 击 是 电子 产 品 的 常 见 问题 之 一 ， 它经常造成产品损坏。 浪 涌 防 护 一 直 以来 是 令 电 子产 品设 计 者 头 痛 的 问题 。
本文从原理上 ，介绍几种 浪涌防护设计 的思路 与方法，并结合具体案例 与电路原理图，进行深层剖析 ，以期 能提供借
鉴作用。 关键 词 ：浪 涌 （ 冲 击 ） ；浪 涌 抑 制 器 ； 防护 电路 ； 引导 ；限 压 ； 限流 ；隔 离 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｎ ７ ０ ９ 文献 标 识 码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０ ０ ４ — ７ ２ ０ ４（ ２ ０ ０ ３ ）０ ５ — ０ ０ ２ １ — ０ ４
浪涌保护电路设计
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浪涌防护电路设计
浪涌防护电路设计一、引言浪涌防护电路是指在电路中采用一定的电气或电子技术手段，以保护设备免受突发的、短暂的高电压脉冲的影响，从而保证设备的正常工作。
浪涌防护电路设计是现代电子技术中非常重要的一部分，因为在工业生产和日常生活中，各种突发事件都有可能导致电网中出现高压脉冲，如果没有浪涌防护措施，就会对设备造成不可逆转的损害。
二、浪涌现象及其影响1.浪涌现象浪涌是指突发的、短暂的高压脉冲，通常由雷击、开关操作、线路故障等原因引起。
在实际应用中，由于各种原因导致的高压脉冲可能会以不同形式进入电子设备内部。
2.影响当高压脉冲进入设备内部时，就会对设备产生不同程度的影响。
例如：（1）直接损坏器件：当高压脉冲达到一定程度时，可能会直接击穿器件内部的绝缘层，导致器件损坏。
（2）降低器件寿命：即使高压脉冲没有直接击穿器件，也会在器件内部产生热量，从而使器件温度升高，进而缩短器件的寿命。
（3）引起系统故障：高压脉冲可能会干扰设备内部的信号传输，从而引起系统故障。
三、浪涌防护电路设计原则1.选择合适的防护元件在浪涌防护电路中，选择合适的防护元件非常重要。
一般来说，常用的浪涌防护元件有气体放电管、金属氧化物压敏电阻、二极管等。
不同类型的防护元件具有不同的特点和应用范围，在选择时需要根据实际情况进行考虑。
2.合理布局在电路设计中，合理布局也是非常重要的一点。
例如，在PCB板上布局时，需要将输入端和输出端分开布置，并尽量减少线路长度和环形线路等因素对信号稳定性造成影响。
3.保证接地良好良好的接地是保证浪涌防护电路有效的关键。
在电路设计中，需要保证接地点的数量充足，并尽量减小接地电阻，从而提高接地效果。
四、浪涌防护电路设计实例以下是一种简单的浪涌防护电路设计实例：1.选择合适的防护元件在本例中，选择了气体放电管作为浪涌防护元件。
气体放电管具有响应速度快、容量大、寿命长等优点，在浪涌防护中得到了广泛应用。
2.合理布局在PCB板上，将输入端和输出端分开布置，并采用短线连接，避免环形线路对信号稳定性造成影响。
电路中的浪涌保护技术如何实现
电路中的浪涌保护技术如何实现在我们日常的电路系统中，浪涌现象就像是电路世界里的“不速之客”，可能会给电子设备带来严重的损害。
为了保障电路的稳定运行和设备的安全，浪涌保护技术应运而生。
那究竟什么是浪涌，浪涌保护技术又是怎样实现的呢？首先，我们来了解一下浪涌的概念。
浪涌简单来说，就是电路中突然出现的瞬间过电压或过电流。
它可能是由于外部的雷击、电网的故障、大型设备的启停，甚至是内部电路的故障等原因引起的。
这些浪涌就像是电路中的“洪水猛兽”，如果不加以防范，就会对电子设备造成冲击，导致设备损坏、数据丢失，甚至引发火灾等严重后果。
为了应对这些“洪水猛兽”，我们需要采取有效的浪涌保护技术。
常见的浪涌保护器件有气体放电管、压敏电阻和瞬态电压抑制二极管等。
气体放电管是一种早期使用的浪涌保护器件。
它的工作原理就像是一个“安全阀”，当电压超过一定阈值时，管内的气体被电离，形成导电通道，将浪涌电流迅速释放到地，从而保护后端的电路。
气体放电管的优点是通流量大、绝缘电阻高，但缺点是响应速度较慢，一般在微秒级别。
压敏电阻则是另一种常见的浪涌保护元件。
它的电阻值会随着电压的变化而迅速改变。
在正常工作电压下，压敏电阻呈现高阻状态，几乎不影响电路的正常工作。
而当浪涌电压出现时，压敏电阻的电阻值急剧下降，将浪涌电流吸收并限制在一个安全的范围内。
压敏电阻的响应速度相对较快，一般在纳秒级别，但其通流量相对较小。
瞬态电压抑制二极管（TVS）则是一种高效的浪涌保护器件。
它具有极快的响应速度，通常在皮秒级别，可以在瞬间将浪涌电压钳位在一个安全的水平。
TVS 的功率小、体积小，适用于对保护速度要求较高的电路。
除了这些单个的保护器件，实际应用中常常会采用多种保护器件组合的方式来提高浪涌保护的效果。
例如，将气体放电管和压敏电阻串联使用，可以在保证通流量的同时提高响应速度。
在电路设计中，浪涌保护的布局也非常重要。
保护器件应该尽可能靠近被保护的设备端口，以减少浪涌在传输过程中的能量积累。
常用的防浪涌电路有三种方案
常用的防浪涌电路有三种方案常用的防浪涌电路有三种方案：一、利用传统的防雷元器件组合成防浪涌电路，例如TVS管（瞬态抑制二极管），气体放电管，PTC（热敏电阻）等。
这些防雷元器件的价格都很低。
二、光耦合电路。
(光隔离器件，价格较低，TPL521-4价格为2元左右。
)三、磁耦合电路。
磁隔离是ADI公司iCoupler专利技术，是基于芯片级变压器的隔离技术。
利用该公司生产的相关芯片可以大大简化电路，减少PCB的面积。
(adm2483的价格在10元左右，adm3251e的价格在10元~20元之间。
)浪涌的来源：浪涌通常由自然界的雷电、电源系统（特别是带很重的感性负载）开关切换时引起的，浪涌的产生将带来能量巨大的瞬变过压或过流，例如感应雷在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，其能量可在瞬间烧毁连结传输线上的全部器件。
通常所说的防浪涌，有两个耐压指标，一个是共模，一个是差模。
自然界雷电或大电流切换时产生的浪涌一般认为是共模的，而差模形式的浪涌往往是由于数据电缆附近有高压线经过，数据电缆与高压线之间因绝缘不良而产生的，虽然后者比前者产生的电压和电流要小得多，但它不像前者那样只维持很短的几毫秒，而会在数据通信网络中较长时间内稳定地存在。
光耦或磁耦器件标称的耐压是共模，也就是前端到后端之间的耐压。
如果超过这个耐压，前端后端都一起烧坏；器件不会标称差模的耐压，这个由电路的设计来决定，如果超过这个耐压，前端烧坏，后端不会烧坏。
防浪涌电路通常分为隔离法和规避法：一、隔离法光耦合（需要隔离电源）光耦合器（optical coupler，OC）亦称光电隔离器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波。
浪涌过电压防护方案
6.74~200 13.4~292 733~24.7
163~5.5
无 1500
8.0*6.0*2.3
10～132 18～200 1200～900
128.6~30.3
2.3～12.0 1600~8500
5.7*5.0*2.5
6.74~200 13.4~292 1400~92
312.5～20.6
27.8~4.28
0.7～12 500～714
3.2*1.6*1.0 5
6.74~220 13.4~323 195~3.0
43.5~0.6
无 400
5.0*2.5*1.96
10～132 18～200 400～300
32.1~7.14
0.7～2.3 600~1600
3.2*2.5*1.7
SDVL3216/3225：片式压敏电阻 SMAJ/SMBJ：片式TVS
Sunlord
Circuit Protection Solution
过电压防护元件选择原则 （雷电及浪涌电流）
DC-DC模块端 (1) 压敏电阻最大直流工作电压Umax不小于线路正常工作
电压Un的（1.2～1.5）倍，即Umax≥1.2 Un。 (2) 压敏电阻最大峰值电流Ip大于DC-DC中感性元件产生的
85 100
900 800 700 600 500 400 300 200
5.5
脉冲功率随工作电压变化
SMAJ
SDVL
9 14 26 38 48 56 65 工作电压Vdc（V）
85 100
随着工作电压增高，通过TVS的脉冲电流能力大幅度下降；
随着工作电压增高，通过SDVL压敏电阻的脉冲电流能力几乎不变；
(完整版)信号口浪涌防护电路设计
信号口浪涌防护电路设计通讯设备的外连线和接口线都有可能遭受雷击（直接雷击或感应雷击），比如交流供电线、用户线、ISDN接口线、中继线、天馈线等，所以这些外连线和接口线均应采取雷击保护措施。
设计信号口防雷电路应注意以下几点：1、防雷电路的输出残压值必须比被防护电路自身能够耐受的过电压峰值低，并有一定裕量。
2、防雷电路应有足够的冲击通流能力和响应速度。
3、信号防雷电路应满足相应接口信号传输速率及带宽的需求，且接口与被保护设备兼容。
4、信号防雷电路要考虑阻抗匹配的问题。
5、信号防雷电路的插损应满足通信系统的要求。
6、对于信号回路的峰值电压防护电路不应动作，通常在信号回路中，防护电路的动作电压是信号回路的峰值电压的1.3～1.6倍。
1.1网口防雷电路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。
下面的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。
1.1.1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1设计。
ab图1 室外走线网口防护电路图1a 给出的是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3R097CXA ，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SLVU2.8-4。
RS485接口浪涌保护器的设计
RS485接口浪涌保护器的设计摘要：针对系统中RS485接口对过电压极其敏感、耐受电压水平低、容易受到雷电电磁脉冲以及操作过电压等电磁干扰，该文提出了一种RS485接口特定的浪涌防护的方案，结合RS485接口信号的传输特点和理论分析，初步设计出浪涌保护器件，再通过试验测试的方法来确定出最合适的浪涌电路元件参数，以达到不影响信号正常传输的前提下，抑制线路过电压的功能。
关键词：RS485接口电涌保护器两级保护退偶电阻Abstract：Based on serial communication in RS485 interface withstand voltage level low，vulnerable to lightning electromagnetic pulse interference，this paper proposed a RS485 interface specific surge protection scheme.Firstly，combined with RS485 interface device electrical performance and related signal surge design specifications，We design a reasonable surge protection circuit form.Then，We followed by theoretical calculation and comprehensive analysis to determine the parameters of the components to achieve the anticipated effect.Key words：RS485 interface surge protective devices two-stage protection decoupling resistance人类社会步入信息化以来，电子信息设备和计算机等通讯系统已深入各个领域，给人们生活带来了极大地方便。
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信号口浪涌防护电路设计通讯设备的外连线和接口线都有可能遭受雷击（直接雷击或感应雷击），比如交流供电线、用户线、ISDN接口线、中继线、天馈线等，所以这些外连线和接口线均应采取雷击保护措施。
设计信号口防雷电路应注意以下几点：1、防雷电路的输出残压值必须比被防护电路自身能够耐受的过电压峰值低，并有一定裕量。
2、防雷电路应有足够的冲击通流能力和响应速度。
3、信号防雷电路应满足相应接口信号传输速率及带宽的需求，且接口与被保护设备兼容。
4、信号防雷电路要考虑阻抗匹配的问题。
5、信号防雷电路的插损应满足通信系统的要求。
6、对于信号回路的峰值电压防护电路不应动作，通常在信号回路中，防护电路的动作电压是信号回路的峰值电压的1.3～1.6倍。
1.1网口防雷电路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。
下面的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。
1.1.1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1设计。
ab图1 室外走线网口防护电路图1a 给出的是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3R097CXA ，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SLVU2.8-4。
图1b TX RX ，低节电容，低节电容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。
1.1.2室内走线网口防雷电路当只在室内走线时，防护要求较低，因此防雷电路可以简化设计，如图2所示，图2a 是室内走线网口防护电路的基本原理图，图2b是防护器件选用SLVU2.8-4时网口部分的详细原理图。
，低节电容ab图2 室内走线网口防护电路RJ45接头的以太网信号电缆是平衡双绞线，感应的雷电过电压以共模为主，如果能够对过电压进行有效的防护，差模的防护选用小量级的器件就可以了，通常可以选用SLVU2.8-4，它可以达到差模0.5kV（1.2/50us）的防护能力，但是当产品目标包括北美市场时，差模防护器件推荐选用LC03-3.3，它可以满足NEBS认证的需求。
我们从共模防护的角度对图1和图2这两种电路做一下比较。
图1的电路采用气体放电管实现共模的防护，当端口处有共模过电压产生时，通过击穿气体放电管转化成过电流并泄放，从而达到保护的目的。
而图2中的网口防护电路只设计了差模的防护电路，没有设计共模的防护电路，它在端口的共模防护上采用就是我们前面说的隔离保护的思路，它利用网口变压器的隔离特性实现端口的共模防护。
当端口处有过电压产生时，这个过电压会加到网口变压器的初级，由于变压器有一定的隔离特性，只要过电压不超过变压器初级与次级的耐压能力而被击穿，过电压会完全被隔离在初级侧，从而对次级侧基本不造成影响，达到端口保护的目的。
从上述原理可以看出，图2这种电路的共模防护主要靠变压器前级的PCB走线以及变压器的绝缘耐压实现，因此要严格注意器件的选型和PCB的设计。
首先，在以太网口电路设计时应树立高压线路和低压线路分开的意识。
其中变压器接外线侧的以太网差分信号线、Bob-Smitch电路是直接连接到RJ45接头上的，容易引入外界的过电压（如雷电感应等），是属于高压信号线。
而指示灯控制线、电源、GND是由系统内提供，属于低压线路。
根据网口连接器不同，网口电路分为带灯和不带灯两种，其中尤以带灯连接器的网口防雷问题更为突出，因此下面以网口带灯电路为例具体说明如何区分高压线路与低压线路。
网口带灯的典型电路如下图所示：图3 网口部分电路组成当网线上遭受感应雷击时，会在8根网线上同时产生过电压。
从安全的角度分析，应把网口部分分为高压区和低压区，如上图所示，虚线框内即为高压区。
因此网线感应雷电时主要在高压区有比较高的过电压。
但是，在高压区仅有8根网线和相连的网络为高压线，而指示灯驱动线、3.3V供电电源、连接器外壳地PGND为低压线，网口电路Bob-Smith电路中匹配电阻属于高压，指示灯限流电阻属于低压范围，变压器线缆侧中间抽头电容一端为高压端，接PGND的一端为低压端。
其次，网口防雷电路在器件选型和PCB设计过程中要注意以下几点：1、为了保证共模隔离耐压的承受能力，变压器需要满足初级和次级之间的交流绝缘耐压不小于AC1500V的指标。
2、优先选择不带灯的RJ45，要引灯的话，建议采用导光柱技术在芯片侧将指示灯的光线引到面板上，避免指示灯控制信号穿越高压信号线和Bob-Smitch电路所在的区域。
3、指示灯控制电路的限流电阻应放在控制芯片侧，位置靠近控制芯片，防止过电压直接对控制芯片造成冲击。
4、以太网信号线按照差分线走线规则，保证阻抗匹配，并且一对差分线的长度尽量一样长。
5、如果变压器前级（靠RJ45接头侧）有中间抽头并且采用Bob-Smith电路，即75Ω电阻加一个1000pF的接PGND的电容。
建议电容选取耐压大于DC2000V，电阻功率建议选择1/10W的单个电阻，不宜采用排阻。
6、一个以太网接口采用一个Bob-Smith电路，避免将多个以太网接口的Bob-Smith电路复接在一起。
7、对于PCB层数大于6层的单板，由于相邻层的绝缘材料小于12mil，因此高压线和低压线不应布在相邻层，更不应交叉或近距离并行走线。
8、由于通过变压器的隔离特性完成共模防护，所以高压信号线（差分线和Bob-Smith电路走线）和其它信号线（指示灯控制线）、电源线、地线之间应该保证足够的绝缘，不存在意外的放电途径。
最后，要达到高压区与低压区之间有效的隔离，就要重视二者之间的PCB走线设计。
在高压区，带高压的可能有：连接器管脚、布线、过孔、电阻焊盘、电容焊盘。
带低压的可能有：布线、过孔、电阻焊盘、螺钉。
对于相同的绝缘距离，耐压能力依次为接地螺钉 < 电容、电阻焊盘 < 走线过孔 < 表层走线 < 内层走线，因此当共模防护指标一定时，高压部分与低压部分的绝缘距离应该为接地螺钉 > 电容、电阻焊盘 > 走线过孔 > 表层走线 > 内层走线。
这是因为螺钉整个为金属体，暴露面积比较大，容易成为放电通路。
电容和电阻焊接两端表面为金属，同时由于形状为长方体，有棱角，很容易形成尖端放电。
过孔在网口部分有很多，表面是亮锡的，也容易产生击穿放电，但与电阻和电容焊接两端相比较，金属面积相对就小一些。
PCB板的表层走线涂有绝缘绿油，内层的走线有介质包围，相对上面几种，耐压能力就应该高一点。
在设计中，根据具体产品要求的抗浪涌等级，利用表7-1中的数据，就可以推算出PCB 设计需要控制的各种绝缘距离。
表7-1给出了在浪涌防护等级是4kV的时候，PCB设计要达到的安全绝缘距离。
表1 PCB设计安全绝缘距离数据（按照4KV耐冲击进行计算）综上所述，采用图2的防护电路，通过良好的器件选型和PCB设计，可以实现共模2kV （1.2/50us，最高可达4kV），差模0.5kV（1.2/50us）的防护能力。
它可以应用于绝大多数室内走线的情况，特别是对于接入和终端设备，在实际使用中以太网线不采用屏蔽电缆，而且安装使用长度大于50米，在网口的防护电路设计过程中宜对以上问题加以重视。
对于网口的防护，除了采用以上的图1和图2中的两种电路外，还有利用RJ45接头管脚前端放电设计、利用变压器中心抽头空气放电设计和利用变压器中心抽头采用放电管放电设计等防护方式，特点均是利用绝缘放电实现防护、成本低、PCB占用空间小。
SFU&HGU网口共模保护变压器隔离高压电容 SMITH电路走线20mil宽MDU网口共模保护线路侧中心抽头对保护地加压敏电阻或放电管线路侧网线加三端子放电管网口差模保护MDU：线路侧GDT+电路侧TVSSFU&HGU：电路侧TVS中国电信要求：MDU设备电源口应具备4KV（差模和共模）防护能力；用户端口应提供1.5KV（差模和共模）防护能力。
SFU/HGU设备的电源端口应具备4KV（差模和共模）防护能力；用户接口应具备0.5KV（差模和共模）防护能力。
对差模浪涌，不外加保护就依赖于网络接口器件本身的固有防护能力不同的PHY芯片或SWITCH芯片本身固有的防护能力不同，不能一概而论，有些需要加，有些不需要，需要验证的。
从测试实践中得知：RTL8204B,不加差模保护的TVS，可以通过1000V、 42欧姆、1.2/50波形浪涌测试RTL8114，则必须加BV03CW,才可以通过1000V、 42欧姆、 1.2/50波形浪涌测试B50612不加TVS只能过500V，要过1000V需要加TVS：BV03CWSD5115H, 不加TVS只靠自己的内在保护不能达到500V差模防护,必须加BV03C才能过500V，要过1000V，必须加BV03CLBCM68380/BCM68380F/BCM68385，需要加BV03CW才能通过差模500V测试。
BV03C 寄生电容较大，只能用于FE；BV03CW用于GE；现已统一采用BV03CWBV03CL是350W的，与150W的BV03C和BV03CW封装一样,但还没有料号。
网口共模浪涌测试，一般是8线同时对地；但K.21里规定是单线分别对地测试，同时对地还是分别对地测试共模，对普通网口没有差异，对POE有差异，POE防护设计时需要注意这一点。