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1、 地面控制设备浪涌防护单元电路设计规范 北京全路通信信号研究设计院 03月20日 文件状态:准备中 修改统计 版本 修改章节 修改内容概要 修改人 日期 V0.0.1 建立文件 全 部 孙超 邹未栋 .03.20 V0.0.2 3.1节、3.3节、4.1节、4.3节、5.1节 修改了can防浪涌器件；修改了can防浪涌优化电路；增加了以太网PCB板布局拓扑图；增加了以太网防浪涌优化电路说明；修改了电源防浪涌电路适用范围 孙超 .5.24
2、 目 录 1 引言 5 1.1. 说明 5 1.2. 依据 5 1.3. 缩略语定义 5 2 RS-232接口浪涌防护设计 6 2.1. RS-232接口防护电路图 6 2.2. RS-232接口防护电路测试结果 6 2.2.1. 残压测试 6 2.2.2. 上电测试 8 2.3. 优化电路 11 3 CAN通信接口浪涌防护设计 12 3.1. CAN通信接口防护电路图 12 3.2. CAN通信接口防护电路测试结果 12 3.2.1. 残压测试 12 3.2.2. 上电测试 14 3.3. 优化电路 18 4 以太网通
3、信接口浪涌防护设计 19 4.1. 以太网通信接口防护电路图 19 4.2. 以太网通信接口防护电路测试结果 19 4.2.1. 残压测试 19 4.2.2. 上电测试 21 4.3. 优化电路 21 5 电源接口浪涌防护设计 22 5.1. 电源接口防护电路图 22 5.2. 电源接口防护电路测试结果 23 5.2.1. 残压测试 23 5.2.2. 上电测试 23 5.3. 优化电路 23 6 驱采接口浪涌防护设计 24 6.1. 驱采接口防护电路图 24 6.2. 电源接口防护电路测试结果 24 6.2.1. 残压测试 24 6.2.2. 上电测试 25
4、 6.3. 优化电路 26 表格目录 表1 缩略语定义 5 表2 缩略语定义 5 表3 串口防护电路器件选型和说明 6 表4 串口残压测试表 6 表5 串口上电测试表 8 表6 CAN通信防护电路器件选型和说明 12 表7 CAN通信接口残压测试表 12 表8 CAN通信接口上电测试表 14 表9 以太网通信防护电路器件选型和说明 19 表10 以太网通信接口残压测试表 19 表11 电源接口防护电路器件选型和说明 22 表12 电源接口残压测试表 23 表13 驱采接口防护电路器件选型和说明 24 表14 驱采接口残压测试表 24 表15 驱采接口上电测试
5、表 25 1 引言 1.1. 说明 本文件仅针对地面控制设备中多种接口浪涌防护单元电路设计进行说明、并依据相关标准对防浪涌电路进行试验给出汇报。 1.2. 依据 表1 缩略语定义 序号 文档编号 文档 版本 备注 1 铁运[] 26号 铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见 2 TB/T 3074- 铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件 1.3. 缩略语定义 表2 缩略语定义 序号 缩略语 含 义 说 明 1 CRSCD 北京全路通信信号研究设计院 2 CI-LAN 以太网和CAN通信转换单元
6、 3 PIO LKD2-T1列控中心驱采单元 4 TVS 瞬态电压抑制器 5 GDT 气体放电管 2 RS-232接口浪涌防护设计 2.1. RS-232接口防护电路图 表3 串口防护电路器件选型和说明 标号 器件 型号 作用 GDT1、GDT3、GDT6 气体放电管 SL1411A075A 一级共模防护 GDT2、GDT4、GDT5 气体放电管 SL1411A075A 一级差模防护 R1、R2、R3 功率电阻 R/2W 退耦 TVS1、TVS4、TVS6 TVS管 SMDJ15CA 二级共模防护 TVS2、TV
7、S3、TVS5 TVS管 SMDJ15CA 二级差模防护 PGND 防雷地 注：以上防护器件均选择littelfuse企业生产器件。 2.2. RS-232接口防护电路测试 2.2.1. 残压测试 表4 串口残压测试表 试验环境：在未加电情况下，对防护板上串口TX和RX接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对RX和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。 测试参数 残压波形图 备注 1KV（差模） 2KV（差模） 2KV（共模） 4KV（共模） 2.2.2. 上电测试 表5 串口上电测试表
8、 试验环境：将两块CI-LAN板及其防护板以下图连接，使其能够正常进行串口发送接收功效，对串口TX和RX接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对RX和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。观察CI-LAN板工作情况。 测试参数 残压波形图 备注 1KV（差模） 2KV（差模） 2KV（共模） 4KV（共模） -4KV（共模） 试验结果：在差模、共模测试中，串口通信全部会在停顿1s左右恢复正常；而且有时以太网端口通信会受到干扰，以太网通信中止1s左右恢复。 2.
9、3. 优化电路 优化改善以下： a优化电路中去掉了第一级防雷气体放电管，因为在室内防雷标准要求范围内，气体放电管是不工作； b优化电路中去掉了共模防护电路，共模防护电路会因为器件地和防雷地（PE）之间存在压差，造成防护器件误导通或烧毁，而且耐压测试无法经过。共模防护关键经过各信号线和防雷地（PE）之间布线距离来防护，所以PCB板布线中要注意信号线和防雷地安规距离； c优化电路在TVS管后级串联电阻，深入吸收TVS管残压（嵌位电压），依据串口频率特征，电阻阻值选择50Ω。电阻依据功率要求选择0805表贴封装电阻。 d若串口只做调试用时，能够只串联50Ω电阻即可。 注：优化电路未经
10、测试。 3 CAN通信接口浪涌防护设计 3.1. CAN通信接口防护电路图 表6 CAN通信防护电路器件选型和说明 标号 器件 型号 作用 GDT1、GDT2 气体放电管 SL1411A075 一级共模防护 GDT3 气体放电管 SL1411A075 一级差模防护 R1、R2 功率电阻 R/2W 退耦 SIDACtor1、SIDACtor2 固态放电管 P0080SCMCLRP 二级共模防护 SIDACtor3 固态放电管 P0080SCMCLRP 二级差模防护 PGND 防雷地 CAN1GND CAN通信地
11、 注：以上防护器件均选择littelfuse企业生产器件。 3.2. CAN通信接口防护电路测试结果 3.2.1. 残压测试 表7 CAN通信接口残压测试表 试验环境：在未加电情况下，对防护板上CAN通信接口CAN1H和CAN1L接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对CAN1H和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。 测试参数 残压波形图 备注 1KV（差模） 2KV（差模） 2KV（共模） 4KV（共模） 3.2.2. 上电测试 表8 CAN通信接口上电测试表 试验环境：将两块CI-LAN板及其防护
12、板以下图连接，使其能够正常进行CAN通信发送接收功效，对CAN通信CAN1H和CAN1L接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对CAN1H和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。观察CI-LAN板工作情况。 测试参数 残压波形图 备注 1KV（差模） -1KV（差模） 2KV（差模） -2KV（差模） 2KV（共模） -2KV（共模） 4KV（共模） -4KV（共模） 试验结果：在差模、共模测试中，CAN通信能够正常工作不会停顿；以太网端口通信有时会受到干扰，以太网通信中止1s
13、左右恢复。 3.3. 优化电路 优化改善以下： a优化电路中去掉了第一级防雷气体放电管，因为在室内防雷标准要求范围内，气体放电管是不工作，而且固态放电管含有气体放电管一部分特征； b优化电路考虑到CAN总线防浪涌器件整体容抗数值范围，去掉了差模防护器件，双绞线传输电缆，共模防护器件和CAN收发器本身全部能够有效进行差模防护。 c优化电路在固态放电管后级串联电阻，起到退耦和深入吸收残压作用，依据CAN总线频率特征，电阻阻值选择5.1Ω-10Ω之间（5.1Ω为经验值）。电阻依据功率要求选择0805表贴封装电阻。 注：优化电路未经测试 4 以太网通信接口浪涌防护设计
14、4.1. 以太网接口布局结构 下图为单独以太网接口PCB板布局拓扑图： ❶ ❷ C1为安规电容，容值1000pf-2200pf之间；R2为安规电阻，阻值应≥1MΩ； ❸ 尽可能选择不带指示灯RJ45接口，因为指示灯走线会破坏地分割； ❹ 单独以太网口数字地要和模拟地分开，此处和多以太网口布局有区分； ❺❻ 模拟地和隔离地和PGND之间安规距离应≥3mm 下图为多以太网接口PCB板布局拓扑图： ❶ ❷ C1为安规电容，容值1000pf-2200pf之间；R2为安规电阻，阻值应≥1MΩ； ❸ 数字地和模拟地因有多点回流轻易造成地环流，所以此处模拟地和数字地不
15、分开，不过在拓扑结构上仍然根据数字地和模拟地结构；若使用DM9000器件从芯片上有模拟电源输出PHY芯片，能够采取数字地和模拟地单点接地方法。 ❹ 前插板和后插板隔离地应经过接插件连通； ❺ 两个以上RJ45接口在接PGND时中间应断开，不应组成环形； ❻ 由PHY器件到网络变压器之间走线应进行戴维南匹配（下拉50Ω）； ❼ 尽可能选择不带指示灯RJ45接口，因为指示灯走线会破坏地分割； ❽ 在更高频率以太网中此处可用磁珠替换电阻 ❾❿ 模拟地和隔离地和PGND之间安规距离应≥3mm 4.2. 以太网通信接口防护电路图 表9 以太网通信防护电路器件选型和
16、说明 标号 器件 型号 作用 GDT1、GDT3、GDT4、GDT6 气体放电管 SL1411A075A 一级共模防护 GDT2、GDT5 气体放电管 SL1411A075A 一级差模防护 R1、R2、R3、R4 功率电阻 R/2W 退耦 TVS1、TVS2 TVS管阵列 SP03-3.3 二级差模防护 U1、U3 TVS管阵列 SP4062 三级差模防护 PGND 防雷地 注：以上防护器件均选择littelfuse企业生产器件。 4.3. 以太网通信接口防护电路测试结果 4.3.1. 残压测试
17、 表10 以太网通信接口残压测试表 试验环境：在未加电情况下，对防护板上以太网通信接口TPO_N和TPO_P接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对TPO_N和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。 测试参数 残压波形图 备注 500V（差模） 1KV（差模） 2KV（差模） 1KV（共模） 2KV（共模） 4.3.2. 上电测试 试验结果：在差模、共模测试中，以太网通信会停顿1s左右，随即通信恢复正常，浪涌测试最大值为：10/700us电压波，共模4KV，差模2KV。 4.4. 优化电路 优化改善
18、以下： 优化电路中去掉了第一级防浪涌气体放电管，因为在室内浪涌防护标准范围内，气体放电管是不工作； 优化电路中去掉了共模防护，因为网络变压器本身能够防护5KV-6KV浪涌冲击，在网络变压器前进行共模防护会降低网络变压器防护性能。 在符合4.1节中所要求PCB板布局结构中，能够去掉三级防护器件SP4062，并在传输线中串联2Ω电阻。 5 电源接口浪涌防护设计 5.1. 电源接口防护电路图 表11 电源接口防护电路器件选型和说明 标号 器件 型号 作用 TVS1、TVS2 大电流瞬态抑制器 AK10-030C 一级共模防护 TVS3 大电流瞬态抑制器 AK
19、10-030C 一级差模防护 FUSE3、FUSE4 防雷保险管 LVSP-10 预防一级防浪涌器件短路，保险管熔断，整个电源供电不受影响 FUSE1、FUSE2 保险管 154001 后级电路短路防护 TVS4、TVS5 TVS管 SMDJ33CA 二级共模防护 TVS6 TVS管 SMDJ33CA 二级差模防护 FUSE3、FUSE4阻抗过大，和TVS3串联造成一级防护电路残压过大，并联TVS6能够有效减小阻抗，降低残压 PGND 防雷地 注：以上防护器件均选择littelfuse企业生产器件。FUSE1、FUSE2此处选型只是参考，要依据
20、具体电路通流量数值进行选。 该防浪涌电路应作为整体电源防护，单板上电源不做上述防护。 5.2. 电源接口防护电路测试结果 5.2.1. 残压测试 表12 电源接口残压测试表 试验环境：在未加电情况下，对防护板上电源接口24VIN+和24VIN-接线进行8/20us电流波形浪涌测试，对24VIN+和防雷地接线进行共模8/20us电流波形浪涌测试。 测试参数 残压波形图 备注 1.5KA（差模） 残压控制在50V以下 5.2.2. 上电测试 试验结果：在差模、共模测试中，以太网通信会停顿1s左右，随即通信恢复正常；其它通信接口工作正常。浪涌测试最大值为：8/20
21、us电流波，共模4KA，差模2KA。 5.3. 优化电路 计划对第一级防护器件AK10-030C选型进行优化。考虑减小通流量（现为10KA），提升工作电压（现为30V，击穿电压32V-37V）。 6 驱采接口浪涌防护设计 6.1. 驱采接口防护电路图 表13 驱采接口防护电路器件选型和说明 标号 器件 型号 作用 FUSE1、FUSE2 保险管 04611.25ER TVS管、后级电路短路防护 TVS1 TVS管 5KP33CA 一级差模防护 TVS2、TVS3 TVS管 5KP33CA 一级共模防护 PGND 防雷地 注
22、以上防护器件均选择littelfuse企业生产器件。FUSE1、FUSE2此处选型只是参考，要依据具体电路输入电流数值进行选型。 6.2. 电源接口防护电路测试结果 6.2.1. 残压测试 表14 驱采接口残压测试表 试验环境：在未加电情况下，对防护板上电源接口IN1和-24V CLLCT接线进行10/700us电压波形浪涌测试，对IN1和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。 测试参数 残压波形图 备注 2KV（差模） 4KV（共模） 6.2.2. 上电测试 表15 驱采接口上电测试表 试验环境：
23、将PIO板和防护板以下图连接，使其能够正常进行驱动采集功效，对采集接口进行差模和共模10/700us电压波形浪涌测试。观察PIO板工作情况。 测试参数 残压波形图 备注 1KV（差模） 2KV(共模) 试验结果：在差模、共模测试中，PIO板驱动采集功效会停顿1s左右，面板指示灯全部点亮，随即驱动采集功效恢复正常。 6.3. 优化电路 优化电路选择单端TVS管，因为反向浪涌能够利用TVS管二极管特征来进行防护，TVS管正向二极管导通特征对浪涌防护优于TVS管反向击穿特征。 优化电路在TVS管后级串联电阻，深入吸收TVS管残压（嵌位电压），依据开关量特征，电阻阻值选择1k。电阻依据功率要求选择0805表贴封装电阻。
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