交换机接地问题试验与研究报告.doc

交换机接地问题试验与研究报告

一、问题的提起
在交换机长期的生产、测试、运行和维修过程中，我们发现机器的许多故障与系统的接地有关。如果接地方式不对或接地电阻过大，轻则导致机器运行不稳，故障率上升；重则导致机器用户板甚至工控机烧毁，以至全局瘫痪。
接地不良会导致用户板烧毁。雷击信号通过用户线进入用户板后，通过压敏电阻或58S形成一条到保护地的泄放回路。大电流（数十安培）泄放的时间与保护地接地电阻的大小有关。接地电阻越大，大电流维持的时间越长（比如从几百个微秒加长到几十毫秒），轻则过热破坏用户回路印制线涂层，重则烧断用户回路印制线，甚至把印制板烧毁。维修组每年都要返修上千块这种模式损坏的用户板。我们曾做过这样一个试验：用NSG205雷击发生器打接入网的32路用户板（版本990101），保护地接地良好时打3000伏无问题，保护地悬浮时1000伏就把用户板的厚膜和IC打坏了。
如果保护地与工作地隔离不好，在保护地接地不良的情况下，保护地上的大电流串入工作地，由于工作地比较细，所以比较容易被烧毁。几年来返修的工控机中有相当部分是地线被烧断，每年有几十台，就是这种情况。
保护地上的大电流串入工作地，会引起工作地上电压分布发生变化，导致机器运行不稳，故障频生。典型的故障是工控机复位、工控机与后台联系中断，DT板或光接口板误码升高等等。最终会导致这些部件提前损坏。
假如工作地和保护地对地电阻很大，那么机器就工作在“浮地”状态。根据测试，用30A单体供电时，“浮地”电压最大可达110VAC。“浮地”时整个机器好比是一架天线，会引入很大的干扰。根据测试干扰最大可达数十个dB（频谱从数十KHZ到数十兆），足以引起工控机复位、前后台联系中断、DT板及SOB板误码率升高，使机器不能正常工作。比如天津大港的接入网，就是因为户外型ONU浮地，误码很高，从而使OLT上的工控机经常复位。“浮地”工作时机器的指标还会变坏，比如空闲信道噪声，接地良好时为-75dB左右，能满足规范，浮地时为-60dB左右，达不到规范要求。
机器“浮地”工作还是一种不安全状态。由于机器带电，当机器与接地良好的测试仪器、维护终端、其他设备接通时，或者机架自己某个部分（例如底座）偶然接地时，就会在机器内部某些部位形成不应有的电流和电压，把某些部件烧毁。生产线上多次发生用户板和ODPH板成批损坏，其原因就在于此。
总之，良好的接地及正确的接地方法是交换机稳定可靠工作的重要条件，否则就会出现如上所述的很多问题，正如多年来我们的交换机在生产、测试和运行中所实际发生的一样。更严重的是，长期以来我们还没有对交换机的接地问题进行过比较详细的实验和研究，甚至不知道应该对这个问题进行研究和试验。因此，可靠性部决定于今年3月份开始对交换机的接地问题进行专项的试验和研究，并将试验和研究的成果纳入到相应的设计规范和工程规范中去。
接地问题从理论到实践都非常的复杂和广泛，本项目不可能全面涉及。本项目只是在总结交换机实际运行经验的基础上，为解决交换机在达到安全性、可靠性、抗扰性方面的国际标准（如FCC、CISPR、K.20等）的过程中所面临的问题（如静电抗扰性不合格），对交换机的系统接地问题进行试验和研究，同时也对交换机单板上地线的安排做了一些研究和总结，研究的成果只能回答交换机接地问题的一部分，只能为解决交换机接地问题提供一点思路和方向，大量的具体问题只能在设计实践和工程实践中去摸索，研究和解决。
二、交换机系统接地
目前的交换机系统设计时设计了三个地：电源地（-48V地）、工作地、保护地，这三个地的合一或分开，在什么位置合一，浮地与否（接不接大地），组成了交换机不同的接地方式。不同的接地方式下机器的性能有很大的差异。
A接法：三地合一通过机架底部一点接大地。这是目前B型机规定的接法。这种接法机器性能正常，接通率和传输指标均合格，传导干扰指标最好，但静电抗扰性差。
B接法：保护地通过机架接大地，工作地（与-48V地合一）独立悬浮。这种接法机器性能正常，接通率和传输指标均合格，静电抗扰性增强，但传导干扰指标略差。
C接法：保护地拉出机架接大地，工作地（与-48V地合一）也拉出机架接大地，机架单独接大地（成为一个屏蔽壳）。这种接法机器性能正常，接通率和传输指标均合格，且兼有A接法和B接法的优点，静电抗扰性和传导干扰指标均最好。
D接法：三地合一接在机架上，不接大地，一次电源地也悬浮。这是一种极端“浮地”状态。这时机架带电110V50HZ。这时交换机能够工作，能打电话，但性能极差，接通率小于80%，传输指标测不出来（PCM4告警）。所以这种接地方式完全不能使用。

表1 几种典型的接地方式与性能指标的关系
接法
接地方式
交换机性能指标（接通率和传输指标）
静电抗扰性
传导干扰
其它
A接法
三地合一通过机架底座接大地
合格
较差，6000V接触放电，MP、DT、SLC、POWRA复位或告警概率近似于1
较好

B接法
保护地通过机架接大地，工作地和-48V地相连后悬浮，与保护地隔离
合格
较好，6000V接触放电，单板复位或告警概率约50%
较差

C接法
保护地、工作地、机架均独立拉到机架外接地
合格
较好
较好

D接法
三地合一悬浮，不接地
不合格
/
/

E接法
三地分开并悬浮，不接地
机器告警不能工作
/
/

对于表一的试验结果，我们认为：完全的浮地工作（D接法）是不允许的，而且可推论部分的浮地（接地电阻大）必然导致交换机性能指标变差，其原因是“浮地”工作时从一次电源（30A单体）引入的干扰过大。
三地合一通过机架接大地（A接法）虽然从一次电源引入的干扰较小，但由于工作地和保护地耦合过紧，保护地上的干扰（如静电放电或雷击）较易串入工作地，故这种接法静电抗扰性较差。
B接法因为保护地和工作地分离，进入工作地的保护地上的干扰变小了，故这种接法的静电抗扰性增强了。但因为工作地悬浮，工作地从空中引入的干扰增多了，故传导干扰增大了（经测试增大5~10个dB）。
C接法兼有A接法和B接法的优点，克服了A接法和B接法的缺点，且因机壳的屏蔽作用增强，机器受空中电磁波的干扰变小，机器的抗干扰性、工作的稳定性实际上比A接法和B接法都优越，是一种比较理想的系统接地方式。这种接法也附合邮标推荐的一点接地的方法。
E接法虽然不能工作，但给我们一点启发：电源地（-48V地）和工作地是不能分开的，而且联系越紧越好。目前的接法是电源地和工作地仅在交换机底层汇流条处相联，这样一来对于其它层来说，工作地和电源地的共地点太远了，而且假如交换机不用底层机框的话，这个共地点极易被忽略。在试验中我们将交换机的电源地和工作地在每一层的汇流条处相联，结果发现交换机的性能确实更稳定可靠了（打接通率不易受到干扰）。
综上所述，我们认为对交换机系统接地的总的要求应该是：设置工作地、保护地、屏蔽地三个地，代替目前的工作地、电源地（-48V地）、保护地三个地。要求使用C接法，但采用A接法和B接法时，机器也能正常工作，性能指标符合要求。最大限度地排除D接法，接地电阻小于1Ω。
三、交换机单板地线
对于交换机各单板的地线怎么安排，需要在具体的电路设计中去全面考虑，本文只能就“为什么有不同性质的地？”、“单板上需设置哪些地”、“各种地在哪里分开或合一”等问题提供一些原则和方向。
首先是单板上设置几个地？这要看这块单板电路的性质。如果它是单一的低频小功率数字电路，那么只设一个工作地（数字地）就可以了。如果该板上设计有防雷保护电路，那么就还需要设置保护地。如果又有数字电路又有模拟电路（比如用户板），那么就还需设置数字地和模拟地。同理，必要是还须设置电源地、屏蔽地、高频地等等。也就是说，不同的地是为不同性质的电路（例如数字电路 、模拟电路、高频电路、低频电路大功率电路等等）设置的，用于为不同性质的信号提高回流通道（泄放通道）。
如果需要设置某种地而没有设置的话，可能会导致某种不良后果。例如POWERA电源上的电源模块有很强的辐射（几十dB、几十KHZ），如果该模块的外壳没有接地，那么这个辐射可能会干扰用户板的工作，甚至干扰机器旁边电视机的工作，正如在接入网生产线和河南某用户处发生的一样，就是因为A电源上的模块电源外壳接地不好甚至悬浮，以至该模块外壳的辐射严重超标。在静电抗扰性试验中，单板上的起拔拉手是薄弱环节，其原因之一是起拔拉手的安装铆钉离信号线过近（约3mm）,二是起拔拉手安装铆钉没有接地。如果铆钉接地的话，静电放电就不会击穿空气到信号线把IC打坏了（如DT1板）。还有，有些单板装有屏蔽板（如SOB、POWERA），但屏蔽板并没有安装在屏蔽地上，而是悬空安装，这样屏蔽板就起不到屏蔽的效果。也就是说，对于有高频辐射或需要屏蔽高频辐射的单板来讲，需要设置屏蔽地。
为什么要为不同性质的电路设置不同的信号回流通道（不同的地）呢？因为不同性质的电路对电压基准的精度要求不同 ，需泄放的电流的大小、频率也不相同。对于几种不同性质的电路混在一起的复合电路来讲，各种地的关系应遵守电位基准相同但不互相干扰的原则。各种地电位相同使各种性质的电路有一个统一的电位基准，保证功能顺利实现。相互干扰是指较大（或较高频）的泄放电流进入较细的地线回路（例如保护地上的大电流进入工作地回路、屏蔽地上的高频信号进入工作地回路），从而引起工作电路不能正常工作的情况。
电位基准相同和不互相干扰是一对矛盾，电位基准相同要求不同的地相联，不相互干扰要求分开，具体考虑不同的地是否相联和在何处相联时要考虑那个是主要矛盾。例如用户板的编解码电路，数字地和模拟地需直接相联，因为这时电位基准特别重要，而干扰不严重。以前生产线常发现TSLC环路电阻测不准的情况，其原因是模数转换芯片的数字地和模拟地没有直接相联，而是拉到远端才相联，数字电路和模拟电路的基准不同且会变化，导致模数转换不准，从而测试结果不准，将该芯片的数字地和模拟地直接相联，问题便获解决。极端的情况下，如果两种电路对电压基准一致性要求特高而又不怕干扰或没有干扰，那么它们的地完全可以直接相联而不必拉到远端才相联，甚至合二地为一地。如果两种电路对电压基准的一致性没有要求（例如防雷地和工作地），那么就根本不需要相联，各自入地甚至一个入地一个悬浮都是可以的。
最后，我们想指出的是：各单板上各种不同的地相互关系怎样？怎么走线？宽度多少？面积多少？与信号线的关系如何？怎样隔离？怎样抑制干扰？怎样与后背板或机架的母地线（单板上的地线为子地线）相联？需要电路设计师根据接地的基本理论和规范、根据电路的具体功能和情况去设计、研究、试验来解决，已不属本文论述的问题了。

7