一種防雷電路的製作方法
2023-09-21 12:41:40 2
專利名稱：一種防雷電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及通信技術領域，具體涉及一種防雷電路。
背景技術：
目前，隨著電子、通信技術的發展，通信設備日益複雜，通訊設備的地位及重要性也日益提高。一方面電子、通訊晶片的高集成度以及電路設計的高密度，會造成晶片、電路或者設備的抗幹擾能力變得脆弱，穩定性、可靠性變差；另一方面由於通訊設備重要性和地位的提高，為了保障用戶的需求，要求設備必須穩定可靠運行。這兩個方面的矛盾決定了防護技術在電子、通訊行業的重要性和發展迫切性。
通常雷電是外界幹擾中的最主要也是最厲害的幹擾源，而通信設備的信號口相對電源埠則是信號傳輸速率高，種類多，抗幹擾能力相對較差的埠，所以信號口防雷技術成為現電子、通訊業研究的一個重要方向。
目前設計中使用最普遍的方案是採用在信號口加裝信號SPD(防雷器)的方法實現防雷。SPD原理如圖1所示，圖中的三極放電管可以用兩個二極放電管代替，電阻可以用電感代替。該電路由放電管G1、矽保護二極體D(通常是瞬變二極體)、電阻R(或者是電感L)組成，實際上是一個兩極防雷保護電路。第一級放電管G1用於旁路洩放暫態大電流，放電管具有大通流能力和較高殘壓的特點；第二級矽保護二極體D用於箝位限壓，保護後面的電子設備或元器件，器件D通常具有低通流、快響應、低殘壓的特點；第一級常稱為粗保護，第二級常稱為細保護。介於這兩極之間的電阻或電感用於改善放電管G1的動作特性並促進兩極保護特性配合。當暫態過電壓波沿信號線路傳輸到達防雷電路後，由於放電管G1具有較高的放電電壓和較長的響應時間，它並不能很快放電導通。在放電管G1尚未放電之前，矽保護二極體D將首先擊穿，並流過暫態電流，隨著該支路暫態電流的增大，介於這兩極之間的電阻或電感上的壓降也相應地增大，這一壓降加於放電管G1兩端，促使放電管G1儘早動作放電。當放電管G1放電後，它將提供一條旁路洩放暫態大電流的通道，同時它也能起限制過電壓的作用，並實施對電阻(或者是電感)和矽保護二極體D的保護。該電路通流能力強，殘壓低，可實現高量級防雷。但該電路也存在以下缺點(1)該電路採用二級防雷，使用了多種器件，成本高。
(2)該電路大多器件需要選擇插件，體積大，對多路信號口設備(例如48路網口的交換機)，無法使用該設計方案實現小體積、高密度電路的設計。
(3)該電路由於使用了二級防雷電路，通常一級保護電路G具有1-5pf的寄生電容，而「快恢復二極體橋+保護二極體」的二級保護電路通常具有8-20pf的寄生電容，這些寄生電容會影響到高速信號的上升沿和下降沿，影響信號質量和傳輸距離，所以該電路對於部分高速信號和極高速信號的防雷設計將不適用，例如100M/1000M網口的防雷設計。
(4)該電路兩級防雷電路之間有退耦元件電阻或者電感，該電阻或者電感串連在信號迴路中，對信號有衰減、影響信號。
通常，對於平衡信號口來說，還可以利用信號口本身隔離變壓器的隔離特性進行防雷設計，其原理如圖2所示。該設計主要基於對於平衡線來說，外界幹擾主要是共模幹擾；而對外界差模幹擾，晶片本身可以承受；所以抑制住共模幹擾，就可以實現信號口防雷。利用隔離變壓器的隔離特性，共模幹擾電壓被隔離在變壓器的接口側，而變壓器側晶片沒有共模幹擾，這樣就實現抑制共模幹擾。因為該防雷電路的變壓器接口側的信號線在浪湧來臨的時候，是處於高壓狀態，所以電路設計時選擇耐壓足夠強的隔離變壓器，並且在PCB布線和結構設計的時候，注意變壓器接口側的信號線和其他信號線、地線以及電源有足夠的絕緣距離，防止出現絕緣擊穿放電導致共模幹擾轉變成差模幹擾或者直接損壞後級電路。但該電路主要針對有隔離變壓器的平衡線埠防雷設計，對隔離變壓器耐壓能力要求比較高，而且實現的防雷等級比較低；同時，該電路設計對PCB布線設計要求比較高，需要嚴格控制絕緣距離，對於高密度接口電路很難實現預期的設計目的，即可實現性不強。
實用新型內容本實用新型的目的是克服現有技術的上述缺點，提供一種防雷電路，用於設備信號口前端放電防雷，其特徵在於，所述電路包括信號接口，用於接收或者發送設備所需接收或者發送的信號；至少一組平衡信號連線，用於將所述信號導入或者導出所述設備；至少一個接地片，其邊緣分別與所述平衡信號連線等距離，用於洩放因外界雷電原因施加到所述信號接口時在所述平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量。
可選地，所述平衡信號連線是PCB板(印刷線路板)上的一段金屬線，所述接地片是PCB板上與所述平衡信號連線的某段等距離的金屬曲線或金屬折線。
可選地，所述電路還包括隔離變壓器，分別通過所述平衡信號連線耦合到所述信號接口和所述信號接入設備，用於進一步隔離前端放電間隙瀉放過電壓能量時施加在後級電路上共模殘壓。
優選地，所述接地片包括至少一個地通孔，靠近所述平衡信號連線。
可選地，所述接地片還包括所述設備外殼，所述設備單板固定螺釘，所述信號接口連接外殼，接地固定端子，器件接地管腳焊盤，PCB地線，PCB地層，和所述設備外殼地短接的金屬部分。
可選地，所述平衡信號連線包括所述信號接口處的信號連線焊盤，信號連線PCB布線，所述平衡信號連線上通孔，和所述平衡信號連線直連短接的器件管腳焊盤，所述隔離變壓器原邊線圈引出的中心抽頭，所述中心抽頭電路與所述平衡信號連線直流短接部分。
優選地，所述等距離分布在所述平衡信號連線旁的接地片與所述平衡信號連線的距離根據設備所需的不同放電電壓設定在6mil至40mil之間。
優選地，所述電路還包括放電管，一端耦合到所述平衡信號連線，另一端耦合到所述接地片，用於和前端放電間隙形成備份設計，瀉放因外界雷電原因施加到所述信號接口時，在所述平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量。
可選地，所述放電管包括電容或電阻，或電容與電阻組成的串聯或並聯電路。
利用本實用新型進行防雷電路設計，不需要考慮信號速率、信號電平和直流偏置電平，可以在不增加器件、成本的基礎上實現高防雷等級，使得電子、通信產品的高密度化、低成本設計成為可能。
圖1是現有技術信號口SPD電路原理圖；圖2是現有技術利用隔離變壓器隔離共模幹擾實現防雷的原理簡圖；
圖3是本實用新型信號口前端放電防雷電路中設計PCB布線示意圖；圖4是圖3所示本實用新型的實施例信號口前端放電防雷電路的等效原理圖；圖5是本實用新型信號口前端放電防雷電路中採用單個接地片時設計PCB布線示意圖；圖6是圖5所示本實用新型的實施例信號口前端放電防雷電路的等效原理圖；圖7是本實用新型信號口前端放電防雷電路中接地片和信號線的解釋PCB示意圖；圖8是本實用新型的實施例中在前端放電保護電路上並聯放電管以形成備份防雷電路的PCB布線示意圖。
具體實施方式
為了使本領域普通技術人員理解和實施本實用新型，現結合附圖詳細描繪實施例，通過這些實施例本領域技術人員可以更容易地理解本實用新型的目的和技術方案及本實用新型的效果。
本實用新型利用了保護器件放電間隙的非線性特性保護原理，在平衡線信號口防雷設計中不增加保護器件，在PCB設計過程中利用PCB本身形成一個具有放電間隙特性的PCB布線電路，從而實現防雷設計，如圖3所示，其等效原理圖參見圖4。對於平衡線信號口，即埠內進行平衡信號通訊的埠，由於感應雷所引起的幹擾主要是共模幹擾，即產生的信號線和地之間的幹擾電壓或電流，所以擬制住共模幹擾，就可以實現信號口防雷。參照圖3和圖4所示的本實用新型的實施例信號口前端放電防雷電路設計PCB布線示意圖及等效原理圖，在本信號口前端放電防雷電路中，PCB單板通過信號接口31接入或發送設備所需接收或者發送信號，然後由平衡信號連線組TX+和TX-將設備所需信號導入或導出該設備，在距平衡信號連線組TX+和TX-兩側等距離的位置有一組接地片，在本實施例中，為地通孔34和地通孔35，用於洩放因外界雷電原因施加到所述信號接口時在所述平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量。為了進一步隔離共模幹擾，即信號線和地之間的幹擾，在通過平衡信號連線組TX+和TX-將設備所需接受或發送信號導入或導出該設備相關晶片之前，還要經過一個隔離變壓器32，將由於通過地通孔34和地通孔35洩放因外界雷電引起的平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量後殘餘的共模幹擾隔離在隔離變壓器的接口側。
隔離變壓器的原理是差模信號在導線上產生電流，而共模信號為雙線對地的公共電壓，不會在線間產生電流。由於只有差模可能產生電流，所以差模信號可以耦合到變壓器次級，從而達到耦合傳輸的目的；而共模則是不會達到後級。這樣即達到了隔離的目的。例如雙線電壓分別為1050V和1000V，那麼差模電壓就是50V，共模電壓就是1025V，假設是1∶1變壓器，傳輸到後級的線間電壓就是50V，而雙線對地就沒有電壓，而是一個懸浮的情況；可能就是一線為0V，一線為50V。
在本實用新型中，通過在信號接口附近，在信號PCB布線旁布上地通孔，控制每根信號線和地通孔的距離保持一致。通常PCB布線到通孔之間的距離可以依據不同的放電電壓設計情況進行選定，通常控制在6mil-40mil之間，這樣信號PCB布線和地通孔之間形成了一個類似放電間隙的保護原理的前端放電保護電路，每線對地形成一個「放電間隙」，並且放電間隙參數一致。正常情況時，信號正常傳輸，由於信號PCB布線和地通孔之間寄生電容十分小，所以對信號，即使是高速信號傳輸沒有任何影響；當外界共模過電壓施加在信號埠時，即信號線和地之間有一個瞬態過電壓，由於信號PCB布線和地通孔之間控制距離比較近，將形成前端絕緣擊穿放電，洩放該過電壓能量，從而有效地保護了後級電路。通過控制平衡信號PCB線和地通孔之間的距離保持一致，不會形成前端放電不一致，導致共模過電壓轉換成差模過電壓損壞後級電路。
在本實用新型的設計中，還可以採用單個接地片形成前端放電防雷電路。同樣，在PCB設計過程中利用PCB本身形成一個具有放電間隙特性的PCB布線電路，從而實現防雷設計，如圖5所示，其等效原理圖參見圖6。參照圖5和圖6所示的本實用新型的實施例信號口前端放電防雷電路中採用單個接地片時設計PCB布線示意圖及等效原理圖，在本信號口前端放電防雷電路中，PCB單板通過信號接口31接入設備所需接收或發送信號，然後由平衡信號連線組TX+和TX-將設備所需信號導入或導出該設備，在距平衡信號連線組TX+和TX-中間等距離的位置有一個接地片，在本實施例中，為地通孔50，用於洩放因外界雷電原因施加到所述信號接口上在所述平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量。同樣，為了進一步隔離共模幹擾，即信號線和地之間的幹擾，在通過平衡信號連線組TX+和TX-將設備所需信號導入該設備相關晶片管腳之前，還要經過一個隔離變壓器32，以將通過地通孔50洩放因外界雷電引起的平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量後殘餘的共模幹擾隔離在隔離變壓器的接口側。
在對本實用新型的設計實現中，可以充分利用平衡信號口電路本身存在的結構，使PCB板上的電路器件在信號輸入接口後形成一個前端放電保護電路，可以實現在對信號埠加過電壓的時候，信號線對地同時前端放電，瀉放過電壓能量，保護後級電路。參照圖7，圖7是本實用新型信號口前端放電防雷電路中接地片和信號線的解釋PCB示意圖。圖中所示各標號表示含義如下1表示接口處接口器件的信號線焊盤2表示信號PCB布線
3表示信號線經過的通孔4表示器件管腳焊盤5表示信號中心抽頭電路部分6表示設備外殼7表示PCB接地螺釘8表示接口連接器外殼9表示連接器固定接地端子10表示地PCB布線11表示地層12表示地焊盤13表示地通孔其中，平衡信號連線包括信號接口處接口器件信號線焊盤，信號PCB布線，信號線上通孔，和信號線直連短接的器件管腳焊盤，以及信號隔離變壓器原邊線圈引出的中心抽頭和中心抽頭電路等所有和信號線直流短接的部分；地包括設備外殼，PCB單板固定螺釘，接口連接件外殼和接地固定端子，器件接地管腳焊盤，地通孔，地PCB布線，地PCB層等所有和外殼地短接的部分。
在PCB單板的布線中，將單板中所需的上述平衡信號連線和上述地進行任何兩兩組合，根據不同的放電電壓設計選定平衡信號連線和地之間距離(通常為6-40mil)，並且保證同一埠的信號線和地之間距離相等一致，即可實現前端放電防雷電路設計。
為了使上述前端放電防雷保護電路起到更好的防雷作用，還可以在所述平衡信號連線和所述接地片之間並聯放電管和類似放電管的器件，用於和前端放電間隙形成備份設計，瀉放因外界雷電原因施加到信號埠時，在平衡信號線和地之間產生的過電壓能量。參見圖8，圖8是在上述前端放電保護電路上並聯放電管以形成備份防雷電路的PCB布線示意圖。放電管可採用電容或電阻，或電容與電阻組成的串聯或並聯電路。要保證增加的並聯器件不影響信號正常傳輸，但能在信號埠加過電壓時發生絕緣擊穿，瀉放過電壓能量從而保護後級電路。
雖然通過實施例描繪了本實用新型，本領域普通技術人員知道，本實用新型有許多變形和變化而不脫離本實用新型的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本實用新型的精神。
權利要求1.一種防雷電路，用於設備信號口前端放電防雷，其特徵在於，所述電路包括信號接口，用於接收或者發送設備所需接收或者發送的信號；至少一組平衡信號連線，用於將所述信號導入或者導出所述設備；至少一個接地片，其邊緣分別與所述平衡信號連線等距離，用於洩放因外界雷電原因施加到所述信號接口時在所述平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量。
2.如權利要求1所述的防雷電路，其特徵在於，所述平衡信號連線是PCB板(印刷線路板)上的一段金屬線，所述接地片是PCB板上與所述平衡信號連線的某段等距離的金屬曲線或金屬折線。
3.如權利要求1或2所述的防雷電路，其特徵在於，所述電路還包括隔離變壓器，分別通過所述平衡信號連線耦合到所述信號接口和所述信號接入設備，用於進一步隔離前端放電間隙瀉放過電壓能量時施加在後級電路上共模殘壓。
4.如權利要求1或2所述的防雷電路，其特徵在於，所述接地片包括至少一個地通孔，靠近所述平衡信號連線。
5.如權利要求1或2所述的防雷電路，其特徵在於，所述接地片還包括所述設備外殼，所述設備單板固定螺釘，所述信號接口連接外殼，接地固定端子，器件接地管腳焊盤，PCB地線，PCB地層，和所述設備外殼地短接的金屬部分。
6.如權利要求1或2所述的防雷電路，其特徵在於，所述平衡信號連線包括所述信號接口處的信號連線焊盤，信號連線PCB布線，所述平衡信號連線上通孔，和所述平衡信號連線直連短接的器件管腳焊盤，所述隔離變壓器原邊線圈引出的中心抽頭，所述中心抽頭電路與所述平衡信號連線直流短接部分。
7.如權利要求1或2所述的防雷電路，其特徵在於，所述等距離分布在所述平衡信號連線旁的接地片與所述平衡信號連線的距離根據設備所需的不同放電電壓設定在6mil至40mil之間。
8.如權利要求1或2所述的防雷電路，其特徵在於，所述電路還包括放電管，一端耦合到所述平衡信號連線，另一端耦合到所述接地片，用於和前端放電間隙形成備份設計，瀉放因外界雷電原因施加到所述信號接口時，在所述平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量。
9.如權利要求8所述的防雷電路，其特徵在於，所述放電管包括電容或電阻，或電容與電阻組成的串聯或並聯電路。
專利摘要本實用新型提供了一種防雷電路，包括信號接口，用於接收或者發送設備所需接收或者發送的信號；至少一組平衡信號連線，用於將信號導入或者導出所述設備；至少一個接地片，其邊緣分別與所述平衡信號連線等距離，用於洩放由於外界雷電原因施加在信號接口時使平衡信號連線和地之間產生的過電壓能量。利用本實用新型進行防雷電路設計，不需要考慮信號速率、信號電平和直流偏置電平，可以在不增加器件、成本的基礎上實現高防雷等級，使得電子、通信產品的高密度化、低成本設計成為可能。
文檔編號H02H9/04GK2694583SQ20032010384
公開日2005年4月20日 申請日期2003年10月21日 優先權日2003年10月21日
發明者羅新會, 王慶海 申請人:華為技術有限公司