PCB防雷设计

工业电子厂房综合防雷设计方案背景在大多数工业电子厂房中，由于设备的集中使用和工作环境的特殊性，厂房内部的电流和电压会呈现出不规律的变化，同时受外部自然力的影响，如雷电，风暴等天气变化，工业电子厂房的综合防雷设计成为了必不可少的安全保障工程。

本文通过对工业电子厂房综合防雷设计方案的分析和探讨，从技术层面、设备布置和保护措施等多个方面出发，以期提高工业电子厂房的抗雷击能力和安全性。

策略前期防雷设计在工程建设的前期设计中，应注重厂房内工作设备的防雷设计。

首先，需要根据各种设备的地形地貌和工作环境特点进行分析，针对性的设计有效的防雷方案。

其次，应根据当地的天气情况和历史雷击状况进行综合分析，确定防雷等级，以便于在正式施工前，制定完整的防雷施工方案。

主要设备的安装方式在工业电子厂房内，设备的安装方式也直接关系到防雷措施的实施效果。

具体细节如下：惯性负载和阻性负载惯性负载和阻性负载的安装应遵循统一原则，即将惯性负载和阻性负载分别安置在同一区域，并将整个区域与实地专线和公共接地网相连。

其目的是使三个不相关的系统协同工作，同时整体提高电压互感器的测量和保护效果。

静电保护静电保护的设计应为单贏式结构，并将整个电源、接地和负载端口分离。

它应该以两个层次办事，并应用同种级别的保护元素，以便有效地消除静电放电和物理缺陷。

监控和保护设备监控和保护设备是工业电子厂房中最重要的设备之一。

在安装时，必须确保设备和保护元件之间的距离足够接近，在不影响设备正常工作的前提下提高效率。

除此之外，可以增加保护装置的层数和保护元件的容量，从而提高抗雷击能力。

同时，还可以加强与接地网的链接方式。

防雷保护措施工业电子厂房防雷保护措施需要区分为主要保护和辅助保护两种方式。

主要保护主要保护的目的是防止霹雳电流的侵害，包括内部设备和物料的保护，以及内部设备防雷接地系统的保护。

主要保护通常采用“外壳接地 + 等电位联结 + 感应复位”三重保护措施，以达到充分防护的效果。

以太网EMC接口电路设计及PCB设计我们现今使用的网络接口均为以太网接口，目前大部分处理器都支持以太网口。

目前以太网按照速率主要包括10M、10/100M、1000M三种接口，10M应用已经很少，基本为10/100M所代替。

目前我司产品的以太网接口类型主要采用双绞线的RJ45接口，且基本应用于工控领域，因工控领域的特殊性，所以我们对以太网的器件选型以及PCB设计相当考究。

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC（Media Access Controlleroler）控制和物理层接口（Physical Layer，PHY）两大部分构成。

大部分处理器内部包含了以太网MAC控制，但并不提供物理层接口，故需外接一片物理芯片以提供以太网的接入通道。

面对如此复杂的接口电路，相信各位硬件工程师们都想知道该硬件电路如何在PCB上实现。

下图1以太网的典型应用。

我们的PCB设计基本是按照这个框图来布局布线，下面我们就以这个框图详解以太网有关的布局布线要点。

图1 以太网典型应用1.图2网口变压器没有集成在网口连接器里的参考电路PCB布局、布线图，下面就以图2介绍以太网电路的布局、布线需注意的要点。

图2 变压器没有集成在网口连接器的电路PCB布局、布线参考a)RJ45和变压器之间的距离尽可能的短，晶振远离接口、PCB边缘和其他的高频设备、走线或磁性元件周围，PHY层芯片和变压器之间的距离尽可能短，但有时为了顾全整体布局，这一点可能比较难满足，但他们之间的距离最大约10~12cm，器件布局的原则是通常按照信号流向放置，切不可绕来绕去；b)PHY层芯片的电源滤波按照要芯片要求设计，通常每个电源端都需放置一个退耦电容，他们可以为信号提供一个低阻抗通路，减小电源和地平面间的谐振，为了让电容起到去耦和旁路的作用，故要保证退耦和旁路电容由电容、走线、过孔、焊盘组成的环路面积尽量小，保证引线电感尽量小；c)网口变压器PHY层芯片侧中心抽头对地的滤波电容要尽量靠近变压器管脚，保证引线最短，分布电感最小；d)网口变压器接口侧的共模电阻和高压电容靠近中心抽头放置，走线短而粗（≥15mil）；e)变压器的两边需要割地：即RJ45连接座和变压器的次级线圈用单独的隔离地，隔离区域100mil以上，且在这个隔离区域下没有电源和地层存在。

PCB板设计中的接地方法与技巧在电子设备设计中，印制电路板（PCB）的地位至关重要。

PCB板的设计需要考虑诸多因素，其中之一就是接地问题。

良好的接地方式可以有效地提高设备的稳定性、安全性以及可靠性。

本文将详细介绍PCB板设计中的接地方法与技巧。

让我们了解一下PCB板设计的基本概念。

PCB板设计是指将电子元件按照一定的规则和要求放置在板子上，并通过导线将它们连接起来的过程。

接地是其中的一个重要环节，它是指将电路的地线连接到PCB 板上的公共参考点，以实现电路的稳定工作和安全防护。

在PCB板设计中，接地的主要作用是提高电路的稳定性，同时还可以防止电磁干扰和雷电等外界因素对电路的影响。

通过将电路的地线连接到PCB板的公共参考点，可以减少电路之间的噪声和干扰，提高设备的性能和可靠性。

接地方式的选择取决于PCB板的设计和实际需求。

以下是一些常见的接地方式及其具体方法：直接接地：将电路的地线直接连接到PCB板上的参考点或金属外壳。

这种接地方式适用于对稳定性要求较高的电路，但需要注意避免地线过长导致阻抗过大。

间接接地：通过电容、电感等元件实现电路与地线的连接。

这种接地方式可以有效抑制电磁干扰，提高设备的抗干扰能力。

混合接地：结合直接接地和间接接地的方式，根据实际需求在不同位置选择不同的接地方式。

这种接地方式可以满足多种电路的接地需求，提高设备的灵活性和可靠性。

多层板接地：在多层PCB板中，将其中一层作为地线层，将电路的地线连接到该层上。

这种接地方式适用于高密度、高复杂度的PCB板设计，可以提供良好的电磁屏蔽效果。

挠性印制电路板接地：对于挠性印制电路板，可以使用金属箔或导电胶带实现电路与地线的连接。

这种接地方式适用于需要弯曲或伸缩的电路，可以提供良好的可塑性和稳定性。

确保接地连续且稳定：接地线的连接必须牢靠、稳固，确保在设备运行过程中不会出现松动或脱落现象。

同时，要确保地线阻抗最小，以提高电路的稳定性。

避免地线过长导致阻抗过大：地线的长度应尽可能短，以减少阻抗。

网口防雷电路设计防护思路首先，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。

室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。

1.室外走线网口防雷电路当有可能室外走线时，端口的防护等级要求较高，防护电路可以按图设计。

图中室外走线网口防护电路的基本原理图，从图中可以看出该电路的结构与室外走线E1口防雷电路类似。

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，型号是leiditech 3R090-5S，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，在网口防雷电路中应用的组合式TVS管需要具有更低的结电容，这里推荐的器件型号为上海雷卯电子SLVU2.8-4。

图中下方的原理图就是采用上述器件网口部分的详细原理图。

三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。

电路设计需要注意RJ45接头到三极气体放电管的PCB走线加粗到40mil，走线布在TOP层或BOTTOM层。

若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。

退耦电阻到变压器的PCB走线建议采用15mil线宽。

该防雷电路的插入损耗小于0.3dB，对100M以太网口的传输信号质量影响比较小。

网口防雷电路设计防护思路首先，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。

室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。

1.室外走线网口防雷电路当有可能室外走线时，端口的防护等级要求较高，防护电路可以按图设计。

图中室外走线网口防护电路的基本原理图，从图中可以看出该电路的结构与室外走线E1口防雷电路类似。

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，型号是leiditech 3R090-5S，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，在网口防雷电路中应用的组合式TVS管需要具有更低的结电容，这里推荐的器件型号为上海雷卯电子SLVU2.8-4。

图中下方的原理图就是采用上述器件网口部分的详细原理图。

三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。

电路设计需要注意RJ45接头到三极气体放电管的PCB走线加粗到40mil，走线布在TOP层或BOTTOM层。

若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。

退耦电阻到变压器的PCB走线建议采用15mil线宽。

该防雷电路的插入损耗小于0.3dB，对100M以太网口的传输信号质量影响比较小。

防雷设计方案引言随着电子技术的飞速发展，雷电对建筑物和电子设备造成的威胁日益增加。

一个完善的防雷设计方案对于保护人员安全、减少财产损失具有重要意义。

本文档旨在提供一个综合性的防雷设计方案，以供参考和实施。

一、防雷设计原则1.1 安全优先防雷设计应以人员安全为首要目标，确保在雷电发生时，能够有效保护建筑物内外的人员安全。

1.2 全面防护防雷设计应涵盖直接雷击、间接雷击以及雷电电磁脉冲等多方面的防护，实现全面防护。

1.3 经济合理在满足安全防护要求的前提下，防雷设计应考虑经济性，避免不必要的过度投资。

二、防雷系统组成2.1 外部防雷系统外部防雷系统主要由接闪器（避雷针、避雷带）、引下线和接地装置组成，用于引导雷电流入地。

2.2 内部防雷系统内部防雷系统主要包括等电位连接、电涌保护器（SPD）、屏蔽措施等，用于保护建筑物内部的电子设备。

2.3 接地系统良好的接地系统是防雷设计的关键，应确保所有防雷设施有效接地。

三、防雷设计要点3.1 接闪器设计接闪器应根据建筑物的几何形状、高度等因素合理布置，以最大范围覆盖保护区域。

3.2 引下线设计引下线应选择耐腐蚀、导电性能好的材料，且应尽可能短而直，减少雷电流过时的电压降。

3.3 接地装置设计接地装置应根据地质条件设计，确保足够的接地电阻，一般要求不大于10欧姆。

3.4 等电位连接建筑物内的所有金属构件、电缆桥架、金属管道等应进行等电位连接，避免雷电引起的电位差。

3.5 电涌保护器（SPD）配置在电源线路、信号线路上安装合适的SPD，以保护电子设备免受雷电电磁脉冲的损害。

3.6 屏蔽与隔离对于敏感的电子设备，应采取屏蔽和隔离措施，减少雷电电磁脉冲的影响。

四、防雷设计实施4.1 设计阶段在建筑设计初期，就应将防雷设计考虑在内，避免后期改造带来的不便和成本增加。

4.2 施工阶段施工过程中应严格按照设计图纸和相关规范进行，确保防雷设施的正确安装。

4.3 验收阶段工程竣工后，应进行专业的防雷检测和验收，确保防雷系统的有效性。

1、交流电源防雷电路采用复合对称电路，共模、差模全保护，L、N可以随便接，正常工作时无漏电流。

①压敏电阻RV1短路失效后易引起火灾，可在每个压敏电阻串接陶瓷气体放电管、温度保险管，最好串联工频保险丝以防工频过电压瞬间击穿压敏电阻起火；②选压敏电压高一点的更安全、耐用，故障率低，但残压略高；根据通流容量要求选择外形尺寸和封装形式，或采用几个压敏电阻并联（压敏电压相近）③陶瓷气体放电管失效模式大多为开路，不易引起火灾，当两者同时短路时亦会有危险；根据要求的通流容量选择，气体放电管和压敏电阻都必须按照冲击10次以上的降额值计算通流容量（压敏电阻为一次冲击通流容量的三分之一左右，气体放电管为最大通流容量的一半左右）。

④温度保险管应与压敏电阻有良好的热耦合，一般采用130℃～135℃、10A/250V的；⑤玻璃放电管可代替陶瓷气体放电管（当要求的通流容量≤3KA时）⑥输出电流较大时，要在线上串联自恢复保险丝PTC单向与三相串联式交流电源：2、直流电源防雷电路（-48V、24V、110V）3、信号线路防雷电路①、R2金属氧化膜电阻（2W-4.3～5.1Ω），也可以用冷态电阻相当的正温度系数热敏电阻（如：R1自恢复保险丝：LP60-010/030，LB180（U））；②陶瓷气体放电管、TVS 管、半导体过压保护器（只适用于电路中没有连续直流电压的场合）的直流击穿电压根据信号电压幅度选择；③本电路适用于传输高频/高速信号（最高频率可达20MHZ）。

采用低电容TVS 管或半导体过压保护器。

传输频率/速率≥10MHz，Cj≤60pF；传输频率/速率≥100MHz，Cj≤20pF；4、天溃防雷①保护效果很好，残压低，可以同时传送电源，适用于天线带放大器或不带放大器的场合。

②腔体和输入、输出接头是根据系统所用接头类型、传输信号频率范围专门设计加工的。

在户外使用时，腔体、接头和盖板都必须设计成防水的。

③陶瓷气体放电管一般选用通流容量20kA、直流击穿电压90V的，压敏电阻一般选用20D100K型；TVS管击穿电压根据传输直流电压或交流电压峰值选取（VBRmin≥1.2UDC或VBRmin≥1.2Up）。

化二谈论PCB的EMC经验作者：化二为一未经作者同意，严禁转播1、PCB设计的EMC思想根据化二为一从事硬件、EMC、PCB设计的多来积累的经验来看，要设计出一块EMC、SI性能优越的PCB板，难度不大，但是PCB 工程师必须在PCB设计深深地融入如下思想与意识，或者说要敬畏如下规则：（1）“回流路径”要控制信号从本质上说，就是环路，即从源到目标（信号线），然后返回到源（返回路径），否则就形成不了信号或电磁干扰（基尔霍夫定理）。

信号或电流从最低阻抗的路径返回到源，由于回流路径（电源平面）存在ESL、ESR，导致低频信号、高频的返回路径迥然不同：A、如果返回路径的阻抗大于377欧，信号就会通过空间返回（形成对外的电磁干扰）；B）如果信号线与其返回路径形成的“环路”面积过大，就容易向外辐射电磁干扰，或接收到外部的电磁场（法拉第电磁感应原理），也就是说，该信号的抗干扰（如静电ESD、辐射抗扰度RS）性能差，对外的电磁骚扰过大（RE）；C）多条信号的返回路径相同，会形成串扰（相互干扰）；D）信号环路的增大，其ESL相应增加，导致信号产生振荡、过冲等信号完整性问题。

（2）“特征阻抗”不能突变作为PCB或硬件工程师，一定要有如下思想：“特征阻抗”是什么？哪些因素影响“特征阻抗”？“特征阻抗”变化会给EMC与SI带来什么危害？（3）识别与控制PCB板上的电磁干扰A）PCB板上的电磁干扰源有哪些？（电流或电压急剧变化部件，如晶振、总线驱动器、开关电源，以及外部线缆的连接端口、电源输入）；B）PCB板上的敏感器件或走线有哪此？（低压CPU、晶振、复位信号、开关控制信号、A\D芯片）；C）控制电磁干扰的流向让电磁干扰尽可能的低阻抗返回到源：如将外部线缆耦合到的电磁干扰，低阻抗的返回到大地，避免其流向敏感电路或器件；规避晶振的高速谐波通过空间或其他信号线返回到源；通过高频滤波电容，控制逻辑器件开关切换时产生的同步开关噪声，防止其干扰共用电源系统的其他器件工作。