地面控制設(shè)備浪涌防護(hù)

單元電路設(shè)計(jì)規(guī)

全路通信信號(hào)研究

2013年03月20日

文件狀態(tài)：準(zhǔn)備中

修改記錄

版本修改章節(jié)修改容概要修改人日期

超

V0.0.1建立文件全部2013.03.20

鰥未棟

修改了can防浪涌

器件；修改了can

防浪涌?jī)?yōu)化電路；

3.1節(jié)、3.3節(jié)、增加了以太網(wǎng)PCB

V0.0.24.1節(jié)、4.3節(jié)、板布局拓?fù)鋱D；增超2013.5.24

5.1節(jié)加了以太網(wǎng)防浪涌

優(yōu)化電路的說(shuō)明；

修改了電源防浪涌

電路的適用困

目錄

1引言5

1.1.說(shuō)明5

1.2.依據(jù)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。

1.3.縮略語(yǔ)定義5

2RS-232接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)6

2.1.RS-232接口防護(hù)電路圖6

2.2.RS-232接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果6

2.2.1.殘壓測(cè)試6

2.2.2.上電測(cè)試8

2.3.優(yōu)化電路11

3CAN通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)12

3.1.CAN通信接口防護(hù)電路圖12

3.2.CAN通信接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果12

3.2.1.殘壓測(cè)試12

3.2.2.上電測(cè)試14

3.3.優(yōu)化電路17

4以太網(wǎng)通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)19

4.1.以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路圖19

4.2.以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果22

4.2.1.殘壓測(cè)試22

4.2.2.上電測(cè)試23

4.3.優(yōu)化電路23

5電源接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)25

5.1.電源接口防護(hù)電路圖25

5.2.電源接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果26

5.2.1.殘壓測(cè)試26

5.2.2.上電測(cè)試26

5.3.優(yōu)化電路26

6驅(qū)采接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)27

6.1.驅(qū)采接口防護(hù)電路圖27

6.2.電源接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果27

6.2.1.殘壓測(cè)試27

6.2.2.上電測(cè)試28

6.3.優(yōu)化電路29

表格目錄

表1縮略語(yǔ)定義5

表2縮略語(yǔ)定義5

表3串口防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明6

表4串口殘壓測(cè)試表6

表5串口上電測(cè)試表8

表6CAN通信防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明12

表7CAN通信接口殘壓測(cè)試表12

表8CAN通信接口上電測(cè)試表14

表9以太網(wǎng)通信防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明21

表10以太網(wǎng)通信接口殘壓測(cè)試表22

表11電源接口防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明25

表12電源接口殘壓測(cè)試表26

表13驅(qū)采接口防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明27

表14驅(qū)采接口殘壓測(cè)試表27

表15驅(qū)采接口上電測(cè)試表28

1引言

1.1.說(shuō)明

本文件僅針對(duì)地面控制設(shè)備中各種接口浪涌防護(hù)單元電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明、并

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防浪涌電路進(jìn)行試驗(yàn)給出報(bào)告。

1.2.依據(jù)

表1縮略語(yǔ)定義

序號(hào)文檔編號(hào)文檔版本備注

鐵運(yùn)[2006]26鐵路信號(hào)設(shè)備雷電與電磁兼容綜合防

1

護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見(jiàn)

鐵道信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)

2TB/T3074-2003

條件

1.3.縮略語(yǔ)定義

表2縮略語(yǔ)定義

序號(hào)縮略語(yǔ)含義說(shuō)明

1CRSCD全路通信信號(hào)研究

2CI-LAN以太網(wǎng)與CAN通信轉(zhuǎn)換單元

3PIOLKD2-T1列控中心驅(qū)采單元

4TVS瞬態(tài)電壓抑制器

5GDT氣體放電管

2RS-232接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1.RS-232接口防護(hù)電路圖

表3串口防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明

標(biāo)號(hào)器件型號(hào)作用

GDT1、GDT3、GDT6氣體放電管SL14UA075A一級(jí)共模防護(hù)

GDT2'GDT4、GDT5氣體放電管SL1411A075A一級(jí)差模防護(hù)

RI、R2、R3功率電阻R/2W退耦

TVS1、TVS4、TVS6TVS管SMDJ15CA二級(jí)共模防護(hù)

TVS2'TVS3、TVS5TVS管SMDJ15CA二級(jí)差模防護(hù)

PGND防雷地

注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。

2.2.RS-232接口防護(hù)電路測(cè)試

2.2.1.殘壓測(cè)試

表4串口殘壓測(cè)試表

試驗(yàn)環(huán)境：在未加電的情況下，對(duì)防護(hù)板上串口的TX和RX接線進(jìn)行差模lO/TOOus

電壓波形浪涌測(cè)試,對(duì)RX和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us電壓波形浪涌測(cè)試。

4KV（共模）

2.2.2.上電測(cè)試

表5串口上電測(cè)試表

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：將兩塊CI-LAN板與其防護(hù)板如下圖連接，使其可以正常的進(jìn)行串口發(fā)送

接收功能，對(duì)串口的TX和RX接線進(jìn)行差模10/700US電壓波形浪涌測(cè)試，對(duì)RX和

防雷地接線進(jìn)行共模10/700US電壓波形浪涌測(cè)試。觀察CI-LAN板的工作情況。

?口CA、LAN

防護(hù)板A防護(hù)板B

PIN96PIN96

CI-LAN-ACI-LAN-B

測(cè)試參數(shù)殘壓波形圖備注

1KV（差模）

2KV（差模）

2KV（共模）

4KV（共模）

-4KV（共模）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測(cè)試中，串口通信都會(huì)在停頓1s左右恢復(fù)正常；而且有時(shí)

以太網(wǎng)端口通信會(huì)受到干擾，以太網(wǎng)通信中斷1s左右恢復(fù)。

2.3.優(yōu)化電路

優(yōu)化改進(jìn)如下：

a優(yōu)化電路中去掉了第一級(jí)防雷的氣體放電管，因?yàn)樵谑曳览讟?biāo)準(zhǔn)要求困，氣

體放電管是不工作的；

b優(yōu)化電路中去掉了共模防護(hù)電路，共模防護(hù)電路會(huì)因?yàn)槠骷睾头览椎兀≒E）

之間存在壓差，導(dǎo)致防護(hù)器件誤導(dǎo)通或者燒毀，而且耐壓測(cè)試無(wú)法通過(guò)。共模防

護(hù)主要通過(guò)各信號(hào)線與防雷地（PE）之間的布線距離來(lái)防護(hù)，所以PCB板布線中

要注意信號(hào)線與防雷地的安規(guī)距離；

c優(yōu)化電路在TVS管后級(jí)串聯(lián)電阻，進(jìn)一步吸收TVS管的殘壓（嵌位電壓），

根據(jù)串口的頻率特性，電阻阻值選擇50。。電阻根據(jù)功率要求選擇0805表貼封裝

電阻。

d若串口只做調(diào)試用時(shí)，可以只串聯(lián)50。電阻即可。

注：優(yōu)化電路未經(jīng)測(cè)試。

3CAN通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1.CAN通信接口防護(hù)電路圖

表6CAN通信防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明

標(biāo)號(hào)器件型號(hào)作用

GDT1'GDT2氣體放電管SL1411A075一級(jí)共模防護(hù)

GDT3氣體放電管SL1411A075一級(jí)差模防護(hù)

RI、R2功率電阻R/2W退耦

SIDACtorl'SIDACtor2固態(tài)放電管P0080SCMCLRP二級(jí)共模防護(hù)

SIDACtor3固態(tài)放電管P0080SCMCLRP二級(jí)差模防護(hù)

PGND防雷地

CAN1GNDCAN通信地

注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。

3.2.CAN通信接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果

3.2.1.殘壓測(cè)試

表7CAN通信接口殘壓測(cè)試表

試驗(yàn)環(huán)境：在未加電的情況下，對(duì)防護(hù)板上CAN通信接口的CAN1H和CAN1L接線

進(jìn)行差模10/700us電壓波形浪涌測(cè)試，對(duì)CAN1H和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us

電壓波形浪涌測(cè)試。

測(cè)試參數(shù)殘壓波形圖備注

1KV（差模）

2KV（差模）

2KV（共模）

4KV（共模）

3.2.2.上電測(cè)試

表8CAN通信接口上電測(cè)試表

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：將兩塊CI-LAN板與其防護(hù)板如下圖連接，使其可以正常的進(jìn)行CAN通信

發(fā)送接收功能，對(duì)CAN通信的CAN1H和CAN1L接線進(jìn)行差模10/700us電壓波形浪涌

測(cè)試，對(duì)CAN1H和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us電壓波形浪涌測(cè)試。觀察CI-LAN

板的工作情況。

?口CASUNIANCAM?口

防護(hù)板A防護(hù)板B

PIN96PIN96

CI-LAN-ACI-LAN-B

測(cè)試參數(shù)殘壓波形圖備注

1KV（差模）

TKV（差模）

2KV（差模）

-2KV（差模）

2KV（共模）

-2KV（共模）

4KV（共模）

-4KV（共模）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測(cè)試中，CAN通信可以正常工作不會(huì)停頓；以太網(wǎng)端口通

信有時(shí)會(huì)受到干擾，以太網(wǎng)通信中斷1s左右恢復(fù)。

3.3.優(yōu)化電路

優(yōu)化改進(jìn)如下：

a優(yōu)化電路中去掉了第一級(jí)防雷的氣體放電管，因?yàn)樵谑曳览讟?biāo)準(zhǔn)要求困，氣

體放電管是不工作的，并且固態(tài)放電管具有氣體放電管的一部分特性；

b優(yōu)化電路考慮到CAN總線防浪涌器件整體容抗的數(shù)值圍，去掉了差模防護(hù)器

件，雙絞線傳輸電纜,共模防護(hù)器件和CAN收發(fā)器本身都可以有效進(jìn)行差模防護(hù)。

C優(yōu)化電路在固態(tài)放電管后級(jí)串聯(lián)電阻，起到退耦和進(jìn)一步吸收殘壓的作用，

根據(jù)CAN總線的頻率特性，電阻阻值選擇5.之間（5.1。為經(jīng)驗(yàn)值）。電

限根據(jù)功率要求選擇0805表貼封裝電阻。

注：優(yōu)化電路未經(jīng)測(cè)試

4以太網(wǎng)通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)

4.1.以太網(wǎng)接口布局結(jié)構(gòu)

下圖為單獨(dú)以太網(wǎng)接口的PCB板布局拓?fù)鋱D：

奧1為安規(guī)電容，容值1000pf-2200pf之間；R2為安規(guī)電阻，阻值應(yīng)21MR；

辟量選擇不帶指示燈的RJ45接口，因?yàn)橹甘緹舻淖呔€會(huì)破壞地分割；

群獨(dú)以太網(wǎng)口的數(shù)字地要與模擬地分開(kāi)，此處與多以太網(wǎng)口布局有區(qū)別；

擬地與隔離地與PGND之間的安規(guī)距離應(yīng)23n】in

下圖為多以太網(wǎng)接口的PCB板布局拓?fù)鋱D：

隔離地1

PGND

隔離電源

接

插

件

f/e

tf

淵

^

>

1隔離電源

隔離地2隔離地2

lOOOpf

/2200pf

時(shí)3?

1M

為安規(guī)電容，容值lOOOpf-2200pf之間；R2為安規(guī)電阻，阻值應(yīng)；

?工字地與模擬地因有多點(diǎn)回流容易造成地環(huán)流，所以此處模擬地與數(shù)字地不分

開(kāi)，但是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上仍然按照數(shù)字地和模擬地的結(jié)構(gòu)；若使用DM9000器件從芯

片上有模擬電源輸出的PHY芯片，可以采用數(shù)字她與模擬地單點(diǎn)接地的方法。

?前插板與后插板的膈離地應(yīng)通過(guò)接插件連通；

?兩個(gè)以上的RJ45接口在接PGND時(shí)中間應(yīng)斷開(kāi)，不應(yīng)構(gòu)成環(huán)形；

?由PHY器件到網(wǎng)絡(luò)變壓器之間的走線應(yīng)進(jìn)行戴維南匹配（下拉500）；

解量選擇不帶指示燈的RJ45接口，因?yàn)橹甘緹舻淖呔€會(huì)破壞地分割；

?在更高頻率的以太網(wǎng)中此處可用磁珠替換電阻

模擬地與隔離地與PGND之間的安規(guī)距離應(yīng)。381nl

4.2.以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路圖

表9以太網(wǎng)通信防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明

標(biāo)號(hào)器件型號(hào)作用

GDT1、GDT3、GDT4、GDT6氣體放電管SL1411A075A一級(jí)共模防護(hù)

GDT2、GDT5氣體放電管SL1411A075A一級(jí)差模防護(hù)

RI、R2、R3、R4功率電阻R/2W退耦

TVS1、TVS2TVS管陣列SP03-3.3二級(jí)差模防護(hù)

UI、U3TVS管陣列SP4062三級(jí)差模防護(hù)

PGND防雷地

注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。

4.3.以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果

4.3.1.殘壓測(cè)試

表10以太網(wǎng)通信接口殘壓測(cè)試表

4.3.2.上電測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測(cè)試中，以太網(wǎng)通信會(huì)停頓1s左右，隨后通信恢復(fù)正常，

浪涌測(cè)試最大值為：10/700US電壓波，共模4KV，差模2KV。

4.4.優(yōu)化電路

優(yōu)化改進(jìn)如下：

優(yōu)化電路中去掉了第一級(jí)防浪涌的氣體放電管，因?yàn)樵谑依擞糠雷o(hù)標(biāo)準(zhǔn)圉，

氣體放電管是不工作的；

優(yōu)化電路中去掉了共模防護(hù)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)變壓器本身可以防護(hù)5KV-6KV浪涌沖

擊，在網(wǎng)絡(luò)變壓器前進(jìn)行共模防護(hù)會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)變壓器的防護(hù)性能。

在符合4.1節(jié)中所規(guī)定的PCB板布局結(jié)構(gòu)中，可以去掉三級(jí)防護(hù)器件SP4062，

并在傳榆線中串聯(lián)2。也阻。

5電源接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)

5.1.電源接口防護(hù)電路圖

表11電源接口防護(hù)電路器件選型與說(shuō)明

標(biāo)號(hào)器件型號(hào)作用

TVS1、TVS2大電流瞬態(tài)抑制器AK10-030C一級(jí)共模防護(hù)

TVS3大電流瞬態(tài)抑制器AK10-030C一級(jí)差模防護(hù)

防止一級(jí)防浪涌器件短路，保

FUSE3'FUSE4防雷保險(xiǎn)管LVSP-10險(xiǎn)管熔斷，整個(gè)電源供電不受

影響

FUSE1、FUSE2保險(xiǎn)管154001后級(jí)電路短路防護(hù)

TVS4'TVS5TVS管SMDJ33CA二級(jí)共模防護(hù)

二級(jí)差模防護(hù)

FUSE3、FUSE4阻抗過(guò)大，與

TVS6TVS管SMDJ33CATVS3串聯(lián)導(dǎo)致一級(jí)防護(hù)電路

殘壓過(guò)大，并聯(lián)TVS6可以有

效減小阻抗，降低殘壓

PGND防雷地

注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。FUSE1、FUSE2此父選型只

是參考，要根據(jù)具體電路通流量數(shù)值進(jìn)行選。

該防浪涌電路應(yīng)作為整體電源的防護(hù)，單板上的電源不做上述防護(hù)。

5.2.電源接口防護(hù)電路測(cè)試結(jié)果

5.2.1.殘壓測(cè)試

表12電源接口殘壓測(cè)試表

試驗(yàn)環(huán)境：在未加電的情況下，對(duì)防護(hù)板上電源接口的24VIN+和24VIN-接線進(jìn)行

8/20us電流波形浪涌測(cè)試，對(duì)24VIN+和防雷地接線進(jìn)行共模8/20us電流波形浪

涌測(cè)試。

測(cè)試參數(shù)殘壓波形圖備注

5.2.2.上電測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測(cè)試中，以太網(wǎng)通信會(huì)停頓1s左右，陵后通信恢復(fù)正常；

其他通信接口工作正常。浪涌測(cè)試最大值為：8/20us電流波，共模4KA，差模2KA。

5.3.優(yōu)化電路

計(jì)劃對(duì)第一級(jí)防護(hù)器件AKIO-030C選型進(jìn)行優(yōu)化?？紤]減小通流量（現(xiàn)為10KA），

提高工作電壓（現(xiàn)為30V，擊穿電壓32V-37V）。

6驅(qū)采接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)

6.1.驅(qū)采接口防護(hù)電路圖

表13驅(qū)采接口防護(hù)電路器件選型與說(shuō)