EMC防护--端口浪涌和防雷设计

在工作中，产品设计经常要考虑EMC设计，特别是端口防护，主要包括信号口、天馈口和电源口。其中信号口又分普通网口、POE网口、RS232/RS485、GPS数据网口。此类问题在大部分产品中均会遇到。

本文内容是根据本人多年从业经验和同事们的经验撰写的，主要以通信类产品为例，介绍端口浪涌防护、防雷等方面的电路设计，希望能对读者有较大的帮助。更多应用实例可以下载本人的学习资源--端口EMC防护电路设计

1、端口防护电路种类

信号口的防护要求多为过电压防护要求，即浪涌防护；天馈口及电源口的防护要求多为过电流防护要求，即防雷保护。

2、端口防护设计要点

设计信号口浪涌防护电路应注意以下几点：

1）浪涌防护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）浪涌防护电路应有足够的冲击通流能力和响应速度。

3）信号浪涌防护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）信号浪涌防护电路要考虑阻抗匹配的问题。

5）信号浪涌防护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。

防雷可以采用两种思路：

1）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。

2）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。

3、端口防护电路实例

3.1 室外走线网口浪涌防护电路（非POE供电）

室外走线网口防护标准要求（判据A）

a) YD/T-1082 -2011，I类环境，外部端口，对称端口，共模1.5kV/25Ω（10/700μs）；

b) YD/T-1082 -2011，II类环境，外部端口，对称端口，共模4kV/25Ω（10/700μs）；

c) YD/T-1082 -2011，III类环境，外部端口，对称端口，共模6kV/25Ω（10/700μs）；

d) YD/T-993-2006，外部端口，双绞线，差模1.5kV，共模加强6kV/25Ω（10/700μs）；

1）方案1推荐电路

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。

图1 室外走线网口方案1防护电路（非POE供电，千兆网络）

图1推荐电路实际为后面POE供电的室外防护电路的简化电路，因为没有POE供电，设计原理主要是在抽头处使用放电管对共模浪涌进行电流泄放，因变压器的隔离功能，到次级的共模电压会在PHY芯片的承受范围之内。

如果需要实现差模防护，需在变压器次级设计使用TVS管D1-D4（结电容<2pf）和串接电阻R1-R8（3.3Ω，其实阻值越大效果越好，但是太大会影响数据传输速率）进行防护，如果不需要差模防护，则可以取消安装D1-D4，R1-R8变更为0Ω。

2）方案1器件选型

表2为室外走线网口方案1防护电路的器件选型表。

表2 室外走线网口方案1防护电路的器件选型表

序号	位号	物料型号	关键参数	备注
1	K1-K2	3SPC090F	90V/5kA，放电管	共模防护
2	D1-D4	UDD32C03L01	3V/19A/0.8pF，ESD器件	差模防护，传输速率要求更高时可使用下方结电容更小的器件。
2	D1-D4	PESD5V0F1BL	5V/2.5A/0.55pF，ESD器件	差模防护，传输速率要求更高时可使用下方结电容更小的器件。
3	R1-R8	0603-3.3Ω	---	差模退耦

3）方案2推荐电路

防护电路也可以按图2设计。此电路同样能满足上述浪涌标准及判据。

图2 室外走线网口方案2防护电路（非POE供电，百兆网络）

图2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，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，在网口浪涌防护电路中应用的组合式TVS管需要具有更低的结电容（<10pf）。

3.2 不带馈电天馈口防雷电路设计原理

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浪涌防护电路和室内走线网口浪涌防护电路就分别采用的是这两种思路。

1）设计原理图

图16 不带馈电的天馈口防雷设计原理电路

以上电路是不带馈电的天馈防雷器的电路原理图（图16-c的电路也可以用于馈电电路），由于天馈线上传输的射频信号频率很高，图中的某些元件不是集总参数元件，而是利用结构件的分布参数实现的，例如馈线芯线上的串接电容。图中电路主要画出了天馈同轴线芯线和屏蔽层之间的电路，天馈防雷器的接地线通常直接从连接馈线屏蔽层的金属外壳上引出，因此不必设计共模的防护电路，这里的图中也略去这个接地线。

图16-a和b电路利用了传输线理论中λ/4短路线原理。图中芯线和外皮间的电感相当于在馈线上接入了一段终端短路的分支线，这段分支线在馈线传输的射频频率上相当于一段λ/4短路线，因此这段分支线在馈线的接入点上对射频频率相当于开路，不影响射频信号的正常传输。而在直流及低频段，这段线的作用是将同轴线芯线和屏蔽层短路，雷击时馈线芯线和屏蔽层间的过电压/过电流将被有效的抑制。电感可以利用微带线实现，也可以选用集中参数的电感来实现。对于串联电容前端的电感，由于它是雷电流的泄放通路，因此其通流容量应能够满足端口的设计指标。当采用微带线实现时，微带线应具有足够的PCB线宽；当采用集中参数电感时，应保证电感在设计指标的冲击电流下不损坏并保持参数不发生变化。图中馈线芯线上串联的电容，可以限制低频的过电流通过芯线传入设备内部，同时并不影响射频信号的正常传输。这种防雷器在某个特定射频频段才能构成λ/4的短路线，因此这种防雷器应用的频段较窄。

图16-c和d电路中，同轴线的芯线和外皮间的防护电路采用了空气放电管，放电管的极间电容很小，一般在1～5pF左右，对0～2GHz范围内的射频信号传输影响较小。空气放电管过压导通的时间比较缓慢，击穿后仍具有一定残压，因此差模防护的能力比图16的a和b电路差。这种防雷器的优点是：从0～2GHz范围内都可使用，且可以应用到带馈电的馈线上（图16-c电路）。

2）器件选型

表17为图16推荐电路对应的器件选型表。

表17 不带馈电的天馈口防雷设计原理电路的器件选型表

序号	位号	物料型号	关键参数	备注
1	L1	CL6130-AL,防雷线圈	57 nH，10kA	可作为5-10kA的设计
2	L2	---	---	采用PCB微态线
3	G1	A80-C90XSMD,EPCOS,90V气体放电管	90V，20kA	可作为10-20kA的设计
4	C1	---	---	采用合适的微波电容