1.問題描述

某系統(tǒng)信號線雷擊要求滿足線-地標(biāo)稱3kA放電電流，干接點(diǎn)和RS485雷擊線地試驗結(jié)果如表1所示。
表1 干接點(diǎn)和RS485雷擊試驗結(jié)果

從表1試驗結(jié)果可以看出，RS485 RX雷擊試驗不通過，斷電后重啟系統(tǒng)，RS485 RX電壓不能恢復(fù)。

2.故障診斷

查看整個系統(tǒng)，RS485通信鏈路包含接口轉(zhuǎn)接板、接口防護(hù)板及收發(fā)信板三個模塊，各模塊功能如下：

a) 接口轉(zhuǎn)接板：提供連接器與接口防護(hù)板RS485轉(zhuǎn)接功能；

b) 接口防護(hù)板：提供RS485信號雷擊保護(hù)功能；

c) 收發(fā)信板：提供RS485通信及管理功能。

RS485通信鏈路如圖1所示：

圖1 RS485通信鏈路

根據(jù)圖1，雷擊電流從線纜注入后，經(jīng)過連接器到達(dá)接口轉(zhuǎn)接板，然后再到接口防護(hù)板，最終到達(dá)收發(fā)信板的只是經(jīng)過防護(hù)板之后的殘壓。打開機(jī)殼，首先目視查看相關(guān)部分單板，發(fā)現(xiàn)接口防護(hù)板和收發(fā)信板無明顯異常，但是，接口轉(zhuǎn)接板37芯連接器位置有一處燒毀，如圖2所示。

圖2 雷擊損壞的接口轉(zhuǎn)接板

從圖2可以看出，接口轉(zhuǎn)接板損壞。為確定防雷板和收發(fā)信板是否正常，首先用萬用表測量兩塊單板關(guān)鍵的器件和網(wǎng)絡(luò)，測試正常，然后系統(tǒng)更換新接口轉(zhuǎn)接板，上電后測量RS485 RX信號電壓正常，系統(tǒng)運(yùn)行后語音也正常，因此確定雷擊損壞的為接口轉(zhuǎn)接板。

3.原因分析

本系統(tǒng)由于37芯連接器管腳針密度很大，從可靠性角度考慮，需要使用接口轉(zhuǎn)接板進(jìn)行轉(zhuǎn)接，但是，由于接口轉(zhuǎn)接板位置在接口防雷板之前，所以，接口轉(zhuǎn)接板首先承受雷擊能量，因此，設(shè)計時需要重點(diǎn)關(guān)注其防雷能力。

查看接口轉(zhuǎn)接板PCB，如圖3所示。

圖3 接口轉(zhuǎn)接板PCB

圖3中PCB中黃色圓圈的部分為單板雷擊損壞的位置，此處由于RS485 RX+信號管腳在連接器內(nèi)部，需要從其它管腳之間引出布線，由于連接器管腳密度很大，考慮到電氣安全性等，引出的布線寬度僅為8mil/2OZ，為增加布線通流量，所有四層此處均布線并通過過孔連接，所以總的布線寬度為32mil/2OZ，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗，線-地3kA雷擊時表層布線寬度要求不小于40mi/2OZ，內(nèi)層考慮到散熱更大，因此，雷擊損壞的原因為布線通流量不足。

4.整改措施

從前面的分析可以看出，雷擊時接口轉(zhuǎn)接板損壞的根本原因是PCB布線寬度未達(dá)到通流量要求，因此，必須對接口轉(zhuǎn)接板進(jìn)行改板，增加雷擊信號布線寬度以滿足雷擊通流量要求。

防雷單板原理圖優(yōu)化設(shè)計需要遵循抓大放小的原則，即抓住重點(diǎn)，舍棄次要，根據(jù)雷擊試驗網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵信號網(wǎng)絡(luò)、普通信號網(wǎng)絡(luò)等重要程度進(jìn)行重點(diǎn)識別，然后結(jié)合PCB布線對原理圖進(jìn)行綜合優(yōu)化，以便于PCB布線時可以更好的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的布線。

接口轉(zhuǎn)接板控制信號RS485提供通訊功能，4對干接點(diǎn)Node信號提供環(huán)境告警功能，它們都是業(yè)務(wù)信號且使用在室外環(huán)境，需要進(jìn)行雷擊試驗，因此，是PCB布線時需要重點(diǎn)關(guān)注及保證功能的網(wǎng)絡(luò)。

接口轉(zhuǎn)接板原理圖和雷擊信號網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 接口轉(zhuǎn)接板原理圖及雷擊信號網(wǎng)絡(luò)

圖4中紅線標(biāo)識的就是雷擊關(guān)鍵信號網(wǎng)絡(luò)，在PCB布線時需要首先進(jìn)行布線并設(shè)置好與其它布線、過孔、焊盤、連接器管腳等的安全距離以免高壓擊穿放電，其它信號線需要在雷擊信號線布線完成后根據(jù)其重要程度逐一進(jìn)行。

接口轉(zhuǎn)接板PCB布線空間有限，根據(jù)對原理圖和PCB的分析，結(jié)合信號實(shí)際中的功能及使用情況，對部分網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行優(yōu)化。其中，原理圖中RS232調(diào)試串口和PA_ON_OFF功放開關(guān)信號實(shí)際中不使用，因此可以優(yōu)化刪除，以節(jié)省PCB布線空間和降低布線的難度，如表2所示。

表2 優(yōu)化刪除的信號網(wǎng)絡(luò)及功能

根據(jù)前面的故障分析，PCB布線通流不足是導(dǎo)致問題的根本原因，結(jié)合以前的實(shí)踐經(jīng)驗，在3kA試驗應(yīng)力時，PCB布線應(yīng)滿足如下要求：

表層布線——布線不小于40mil/2OZ，或采用多層布線滿足此要求；

內(nèi)層布線——布線不小于45mil/2OZ，或采用多層布線滿足此要求；

換層過孔——過孔不小于50/90規(guī)格，或采用多個過孔滿足此要求。

另外由于進(jìn)行雷擊試驗的信號線為高壓線，需要考慮與其它低壓布線、過孔、焊盤、連接器管腳等的安全絕緣距離，以防止高壓時擊穿，結(jié)合以前的實(shí)踐經(jīng)驗，在3kA試驗應(yīng)力時，高壓與低壓網(wǎng)絡(luò)需要滿足的安全絕緣距離如表3所示。

表3 高壓與低壓網(wǎng)絡(luò)安全絕緣距離

5.實(shí)踐效果

經(jīng)過以上結(jié)合防雷、信號功能及PCB布線等方面對原理圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計之后，改進(jìn)后的原理圖如圖5所示。

圖5 接口轉(zhuǎn)接板原理圖及雷擊信號網(wǎng)絡(luò)

在PCB改板時，大部分雷擊信號網(wǎng)絡(luò)管腳在連接器插針內(nèi)排，由于連接器管腳非常密集，考慮到雷擊時信號布線寬度要求，將連接器中未定義網(wǎng)絡(luò)的空管腳加以利用，將部分雷擊信號網(wǎng)絡(luò)從閑置的空信號管腳引出。

B15_RS485_PI_RX-和B15_RS485_PI_RX-網(wǎng)絡(luò)直接相鄰的管腳為其它信號管腳，PCB布線時只能從焊盤管腳間出線，因布線寬度受限需采用四層布線以滿足通流量要求；而NODE_PI_IN1+相鄰管腳為5管腳GND，綜合分析后可以將5管腳網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為空管腳，BOOT_CHOICE _PI運(yùn)行選擇信號和RESERVED_CHOICE預(yù)留信號使用9管腳GND作為信號回路。

改板后的接口轉(zhuǎn)接板，通過對原理圖網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化并巧妙利用空置的信號管腳，使得密集連接器區(qū)域的雷擊信號布線得以優(yōu)化出線，同時保證了雷擊對信號PCB布線寬度的要求，最終改板如圖6所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計的PCB

系統(tǒng)更換改進(jìn)后的接口轉(zhuǎn)接板并運(yùn)行正常后，重新對接口轉(zhuǎn)接板進(jìn)行雷擊試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 改板后干接點(diǎn)和RS485雷擊試驗結(jié)果

從表4可以看出，PCB改板之后，在標(biāo)稱3kA雷擊試驗時，系統(tǒng)功能正常，試驗通過。

【總結(jié)】

PCB布局布線和雷擊浪涌試驗有關(guān)系嗎？咋一看貌似八竿子打不著，要說一點(diǎn)沒關(guān)系，也不可能，想想高電壓大電流，誰不是繞道走；要說有關(guān)系，也挺牽強(qiáng)，那還要防護(hù)電路干嘛！古人云，“善弈者謀勢，不善弈者謀子”，說的是通盤考慮全局的道理。本案例產(chǎn)品浪涌防護(hù)電路設(shè)計的固若金湯，但戲謔的是，干擾劍走偏鋒，防護(hù)電路瞬間成為擺設(shè)，一潰千里！正所謂兵者，詭道也，乘其不備，讓其崩潰。本文的整改方法和思路啟示我們，防雷電路設(shè)計時，由于高電壓大電流的特性，工程師不能只盯著防護(hù)電路，顧此失彼，器件、原理圖、PCB、結(jié)構(gòu)、接地等等一盤棋，全局考慮才是王道！

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