一種網絡設備端口以及網絡設備的制作方法

專利名稱：一種網絡設備端口以及網絡設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及網絡設備領域，尤其涉及一種網絡設備端口 。
背景技術：
隨著網絡技術的發展，各種網絡設備被廣泛應用。當雷擊發生時，會產生巨大的能量，該能量會損壞網絡設備。網絡設備包括網卡、交換機、路由器等，網絡設備端口之間可采用光纖或雙絞線進行互聯。當網絡設備端口釆用雙絞線時，雷擊產生的能量通過電源和網絡設備端口導入到設備中，從而損壞該網絡設備。
網絡設備的基本結構包括網絡設備端口、隔離變壓器、網絡設備處理芯片 等器件，各器件均設置在印制板上。以目前普遍應用的以太網設備為例進行說明，如圖1所示，以太網設備主要由RJ45端口、隔離變壓器、以太網芯片等器件構成，這些器件中以太網芯片是核心器件，需要進行防雷擊保護。以太網 設備通過正(+ )、負(-)差分線，以差分信號的方式傳輸電流，該電流最終被以太網芯片處理成為通信數據。隔離變壓器用于高壓電氣隔離，將以太網設 備隔離為高壓區和低壓區，同時可恢復隔離變壓器兩側以差分信號方式傳輸的 電流，隔離變壓器兩側的電流大小是相同的。RJ45端口用于插入網絡設備互聯 所用的雙絞線，將隔離變壓器輸出的差分信號與雙絞線連接。
雷擊產生的電壓是對地的高電壓，此處，"地"指的是大地，電源、網絡 設備、避雷針等都要通過金屬導體連接到大地，一般稱為接地。網絡設備的金屬外皮都是接地的，用于將網絡設備的電流瀉放到大地，使網絡設備金屬外皮不帶電。由于網絡設備金屬外皮的接地，所以網絡設備在受到雷擊時會產生雷擊電流，當雷擊電流串入敏感的網絡設備處理芯片時，該芯片就很容易損壞，導致網絡設備的損壞。
目前網絡設備端口的防雷擊措施主要是增加雷擊保護器件，如圖2所示， 為以太網設備增加雷擊保護器件的電路圖。虛線框中即為增加的雷擊保護器件，設置在RJ45端口和隔離變壓器之間。其中，Gl、 G2為氣體放電管，Rl、 R2、 R3、 R4為串聯限流器件，VD1、 VD2、 VD3、 VD4為硅保護二極管，Dl、 D2、 D3、 D4為快恢復二極管。采用該雷擊保護器件，可以限制輸入隔離變壓 器的電流大小，從而保護以太網芯片。雷擊保護器件根據可防護雷擊能量的大 小分為多種規格，可防護雷擊能量越大，成本也就越高，顯然這就增加了網絡 設備的制造成本。

實用新型內容
本實用新型提供一種網絡設備端口以及網絡設備，用以在不增加網絡設備制造成本的基礎上增強網絡設備端口的防雷擊能力。
本實用新型提供一種網絡設備端口，包括印制板，設置在印制板上的接地 金屬外皮、螺絲孔、具備金屬外殼的連接線端口，所述連接線端口上設置有用 于通過差分線連接隔離變壓器的插座引腳，其中，
所述接地金屬外皮與連接線端口的插座引腳之間有間隙、所述接地金屬外 皮與隔離變壓器連接差分線的31腳之間有間隙，各間隙的最小直線距離在印制 板外層大于等于lmm，在印制板內層大于等于0.25mm;
所述差分線與連接線端口的金屬外殼之間有間隙、所述差分線與螺絲孔之 間有間隙、所述差分線與接地金屬外皮之間有間隙，各間隙的最小直線距離在 印制板外層大于等于lmm,或者在印制板內層大于等于0.25mm。
本實用新型提供一種網絡設備，包括設置在印制板上的網絡設備處理芯片 和隔離變壓器，還包括該網絡設備端口。
本實用新型提供的網絡設備端口 ，以及具備該網絡設備端口的網絡設備， 無需增加雷擊保護器件，只需保證差分線與地之間有間隙，且設定間隙的最小
直線距離，通過增大空氣間隙提高差分線對地的空氣放電擊穿電壓，從而有效 阻斷雷擊能量通路，在不增加網絡設備制造成本的基礎上，增強了網絡設備端 口的防雷擊能力，解決了網絡設備的雷擊保護問題。


圖1為現有技術中以太網設備的結構示意圖2為現有技術中以太網設備增加雷擊保護器件的電路圖3為本實用新型實施例中以太網設備遭受雷擊時的電壓感應示意圖4為本實用新型實施例中印制板上以太網設備端口平面結構示意圖5為本實用新型實施例中模擬雷擊實驗示意圖6為本實用新型實施例中網絡設備平面結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供一種網絡設備端口 ，用以解決網絡設備的雷擊保護問題， 在不增加網絡設備制造成本的基礎上，增強網絡設備端口的防雷擊能力。本實 用新型以采用雙絞線的以太網設備為例進行說明，通過阻斷雷擊能量通路的方 式，阻止雷擊能量串入以太網芯片。該方案無需增加雷擊保護器件，所以節約 了制造成本。
首先，對本方案的實現原理進行詳細說明。
分析圖1所示的以太網設備遭受雷擊時的電壓感應。如圖3所示，當雙絞 線感應雷擊時，在雙絞線和地之間會產生雷擊電壓，這種對地的高電壓可稱為 共模電壓。該雷擊電壓通過RJ45端口導入以太網設備，分布在高壓區的發送 正、負差分線和接收正、負差分線上。由于隔離變壓器的高壓電氣隔離作用， 該雷擊電壓不能串入到低壓區，不會直接對以太網芯片造成損壞。
只有當雷擊電壓導致隔離變壓器高壓區的正、負差分線之間產生較大電流 時，才會對以太網芯片造成損壞。根據隔離變壓器的原理，當高壓區正、負差分線之間產生較大電流時，低壓區的正、負差分線之間產生同樣大小的電流， 這個電流串入以太網芯片，由于以太網芯片無法承受該較大電流，所以就很容 易造成以太網芯片的損壞。
發生雷擊時高壓區的正、負差分線之間產生較大電流的原因，主要是由于 空氣放電造成的。對空氣放電進行簡單介紹，兩個沒有連接的金屬導體之間存 在空氣，通常情況下是絕緣的。但兩金屬導體之間的電壓差達到很大時，會導 致空氣被擊穿，被擊穿的空氣相當于導電體，從而產生空氣放電。兩金屬導體之間距離越近，空氣放電擊穿電壓越低；金屬導體的尖端部分，空氣放電擊穿 電壓則更低，通常叫做尖端放電，如避雷針就是采用尖端放電技術。
通常情況下，差分線與地之間的空氣不會被擊穿，相當于絕緣。只有當雷 擊電壓超過空氣放電擊穿電壓時，才會產生空氣放電。空氣放電一旦產生，則 差分線對地由絕緣體變成導電體，就會產生從差分線流向地的雷擊電流。現有 技術中普遍采用的以太網設備，由于在制造時基于數據通信和印制板器件布局 緊湊性的考慮，差分線與地之間的空氣間隙一般非常小，可以近似看作間隙為 0。較小的空氣間隙使得空氣放電擊穿電壓很低，尤其是當以太網設備被放置 于室外時，很容易遭受雷擊。
舉例說明雷擊產生時損壞以太網設備的過程。假設雷擊電壓可達2KV,正 差分線端對地的空氣放電擊穿電壓為2KV,負差分線端對地的空氣放電擊穿電 壓為1.5KV。當雷擊電壓超過1.5KV時，負差分線端對地產生空氣放電，變成 導電體，負差分線端電壓瞬間從1.5KV變成0V。這樣，正差分線端電壓就比 負差分線端電壓高出1.5KV，導致雷擊電流/人正差分線端流向負差分線端，再 流向地。因為隔離變壓器內部是金屬線圏，所以流經正、負差分線端的電流非 常大，從而造成以太網芯片的損壞。
可見，在雷擊電壓沒有超過空氣放電擊穿電壓時，雷擊能量就會被阻斷， 不會造成以太網芯片的損壞。所以只要提高差分線對地的空氣放電擊穿電壓， 就可以增強以太網設備端口的防雷擊能力。為了增大差分線對地的空氣放電擊穿電壓，需要打破現有技術中制造以太網設備時采用的固有方式，保證差分線 與地之間有一定的空氣間隙，尤其是要保證尖端部分與地之間的空氣間隙。
接著，介紹因此本實用新型提出的以太網設備端口的物理結構。
如圖4所示，為印制板上以太網設備端口平面結構示意圖，以太網設備端 口與地直接連接的有螺絲孔、地銅皮、RJ45端口金屬外殼。其中，RJ45端口 插座引腳與地銅皮之間的間距用L0表示，差分線與RJ45端口金屬外殼之間的 間距用Ll表示，差分線與螺絲孔之間的間距用L2表示，差分線與地銅皮之間 的間距用L3表示，隔離變壓器連接差分線的引腳與地銅皮之間的間距用L4 表示。
需要指出的是，印制4反一般為多層結構，分為內層與外層，內、外層的平 面結構示意圖均如圖4所示。其中，RJ45端口插座引腳、隔離變壓器的引腳、 螺絲孔均垂直穿透印制板。圖4中僅示意性的表示各間距L0 L4，實際制造 時各間距應為最小直線距離。例如L3應為差分線與地銅皮之間的最小直線距 離，其余各間距類似，不再贅述。
當遭受雷擊時，差分線與螺絲孔、地銅皮、RJ45端口金屬外殼之間都有可 能會發生空氣放電，造成以太網設備的損壞，可見，防雷擊能力最差的部位， 決定了整個網絡設備的防雷擊能力。因此，在制造以太網設備端口時，需要使 差分線與地，此處具體是指差分線與螺絲孔、地銅皮、RJ45端口金屬外殼之間 的間距滿足一定的條件，以避免產生空氣放電。
為了確定差分線與地的空氣間隙，進行了模擬雷擊實驗。模擬雷擊實驗示 意圖請參見圖5，使用EMCPro試驗波形信號發生器產生的1.2/50us(8/20us)、 10/700us組合波雷擊浪涌波形信號進行檢測。1.2/50us ( 8/20us )組合波雷擊浪 涌波形信號4莫擬2kv雷擊電壓，10/700us組合波雷擊浪涌波形信號模擬3kv雷 擊電壓。選擇外置的CM-TELCD耦合/去耦網絡，使用四個160Ω電阻并聯得 到40Ω的信號輸出源阻抗；CM-TELCD耦合/去耦網絡引出的四根信號線使用 非屏蔽雙絞線連接到RJ45端口的1/2/3/6引腳進行百兆以太網口測試，或者
4/5/7/8引腳進行千兆以太網口測試。EMC Pro試驗波形信號發生器的LO端應 該可靠連接到大地，并與被測試設備的機箱地連接在一起。
因為自然界中雷擊電壓的產生頻率為lkv之內每年幾百次，2kv之內每 年幾十次，2kv以上非常少，所以將模擬雷擊電壓確定為2kv和3kv。可以認 為，如果網絡設備能承受2kv以上的雷擊電壓，則可基本具備防雷擊能力，如 果網絡設備能承受3kv以上的雷擊電壓，則可具備較高的防雷擊能力。
通過模擬雷擊實驗發現，差分線在印制板外層與地的間距為lmm時，能 承受2kv以上的雷擊電壓，差分線在印制板外層與地的間距為2mm時，能承 受3kv以上的雷擊電壓；差分線在印制板內層與地的間距為0.25mm時，能承 受2kv以上的雷擊電壓，差分線在印制板內層與地的間距為0.5mm時，能承受 3kv以上的雷擊電壓。
基于以上分析，本實用新型提供一種網絡設備端口的制造要求，通過提高 差分線對地的空氣放電擊穿電壓，達到阻斷雷擊能量通路的目的，本實用新型 以目前普遍應用的以太網設備為例進行說明，并假設該以太網設備需要承受 2kv以上的雷擊電壓，具體制造要求包括
A、 地銅皮與RJ45端口插座引腳之間有間隙，間隙的最小直線距離用LO 表示；由于在印制板外層與內層均設置有地銅皮，RJ45端口插座引腳垂直穿透 印制板，所以LO有內外層之分，LO在印制板外層是指印制板外層的地銅皮與 RJ45端口插座51腳之間的最小直線距離，在印制板內層是指印制板內層的地銅 皮與RJ45端口插座引腳之間的最小直線距離；LO在印制板外層大于等于lmm， 在印制板內層大于等于0.25mm;
B、 差分線與RJ45端口金屬外殼之間有間隙，間隙的最小直線距離用L1 表示、差分線與螺絲孔之間有間隙，間隙的最小直線距離用L2表示、差分線 與地銅皮之間有間隙，間隙的最小直線距離用L3表示，由于差分線或者設置 在印制板的外層，或者設置在印制板的內層，所以L1、 L2、 L3根據差分線在 印制板上的設置位置而定；當差分線設置在印制板外層時，Ll、 L2和L3是指
印制板外層兩者之間的最小直線距離，Ll、 L2和L3是指印制板內層兩者之間的最小直線距離；Ll、 L2和L3在印制板外層大于等于lmm，或者在印制板內層大于等于0.25mm;
C、地銅皮與隔離變壓器連接差分線的引腳之間有間隙，間隙的最小直線距離用L4表示，與LO同理，在印制板外層L4是指印制板外層的地銅皮與隔離變壓器連接差分線的引腳之間的最小直線距離，在印制板內層L4是指印制板內層的地銅皮與隔離變壓器連接差分線的引腳之間的最小直線距離；L4在印制板外層大于等于lmm，在印制板內層大于等于0.25mm。
當對網絡設備端口的防雷擊能力要求更高時，較優的可以提高各間隙的最小直線距離，當將各間隙的最小直線距離在印制板外層提升至2mm,在印制板內層提升至0.5mm時，以太網設備端口能承受3kv以上的雷擊電壓，已完全能夠滿足雷擊保護的要求。
由于受到印制板器件布局的影響，各間隙的最小直線距離難以制作的很大。根據模擬雷擊實驗可以看出，在相同間距下，印制板內層的空氣放電擊穿電壓約為印制板外層的空氣放電擊穿電壓的4倍。所以，較優的，差分線設置在印制板內層。
另外，實際制造時為了增大空氣放電擊穿電壓，差分線的彎角應避免與RJ45端口金屬外殼、螺絲孔、地銅皮相對。
綜上，本實用新型提供一種防雷擊的網絡設備，如圖6所示，包括印制板60,設置在印制板60上的網絡設備處理芯片61、隔離變壓器62,網絡設備端口 63,需要指出的是，該網絡設備無需包括雷擊保護器件即可達到防雷擊的目的，其中
網絡設備端口63包括螺絲孔631、接地金屬外皮632、用于插入網絡設備互聯所用連接線的連接線端口 633，連接線一般為雙絞線；
該連接線端口633上設置有插座引腳601,并且連接線端口633具備金屬外殼602，連接線端口的插座引腳601用于通過差分線603連接隔離變壓器62,連接隔離變壓器62實際是與隔離變壓器62的引腳620相連，用于傳輸差分信號，其中
連接線端口的插座引腳601與接地金屬外皮632之間有間隙，間隙的最小直線距離用L0表示；隔離變壓器連接差分線的引腳620與接地金屬外皮632之間有間隙，間隙的最小直線距離用L4表示；L0和L4在印制板外層大于等 于lmm，在印制板內層大于等于0.25mm;
差分線603與連接線端口的金屬外殼602之間有間隙，間隙的最小直線距 離用L1表示；差分線603與螺絲孔631之間有間隙，間隙的最小直線距離用L2表示；差分線603與接地金屬外皮632之間有間隙，間隙的最小直線距離用L3表示；Ll、 L2和L3在印制板外層大于等于lmm,或者在印制板內層大 于等于0.25mm。
該網絡設備在不增加雷擊保護器件的前提下，就能承受2kv以上的雷擊電壓，具備基本的雷擊防護能力。
如果LO和L4在印制板外層大于等于2mm,在印制板內層大于等于0.5mm; Ll、 L2和L3在印制板外層大于等于2mm或者在印制板內層大于等 于0.5mm可以使網絡設備承受3kv以上的雷擊電壓，進一步提升雷擊保護能力。
較優的，差分線603設置在印制板內層，差分線603的彎角不與連接線端口 633的金屬外殼602、螺絲孔631和接地金屬外皮632相對。
本實用新型提供的網絡設備端口，無需增加雷擊保護器件，只需保證差分 線與地之間有間隙，且設定間隙的最小直線距離，通過增大空氣間隙提高差分 線對地的空氣放電擊穿電壓，從而有效阻斷雷擊能量通路，在不增加網絡設備 制造成本的基礎上，增強了網絡設備端口的防雷擊能力，解決了網絡設備的雷 擊保護問題。通過對間隙的最小直線距離的設定，可以使網絡設備能承受的雷 擊電壓達到2kv以上。并且通過將差分線設置在印制板內層降低了網絡設備的 制造難度，通過避免差分線的彎角與連接線端口的金屬外殼、螺絲孔和接地金
屬外皮相對，以及提高各間隙的最小直線距離，可以進一步提高防雷擊能力。
顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離 本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實 用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動 和變型在內。
權利要求1、一種網絡設備端口，包括印制板，設置在印制板上的接地金屬外皮、螺絲孔、具備金屬外殼的連接線端口，所述連接線端口上設置有用于通過差分線連接隔離變壓器的插座引腳，其特征在于，所述接地金屬外皮與連接線端口的插座引腳之間有間隙、所述接地金屬外皮與隔離變壓器連接差分線的引腳之間有間隙，各間隙的最小直線距離在印制板外層大于等于1mm，在印制板內層大于等于0.25mm；所述差分線與連接線端口的金屬外殼之間有間隙、所述差分線與螺絲孔之間有間隙、所述差分線與接地金屬外皮之間有間隙，各間隙的最小直線距離在印制板外層大于等于1mm，或者在印制板內層大于等于0.25mm。
2、 如權利要求1所述的網絡設備端口，其特征在于，所述接地金屬外皮 與連接線端口的插座引腳之間、以及所述接地金屬外皮與隔離變壓器連接差分 線的引腳之間，各間隙的最小直線距離在印制板外層大于等于2mm,在印制板 內層大于等于0.5mm;所述差分線與連接線端口的金屬外殼之間、所述差分線與螺絲孔之間、以 及所述差分線與接地金屬外皮之間，各間隙的最小直線距離在印制板外層大于 等于2mm，或者在印制板內層大于等于0.5mm。
3、 如權利要求1所述的網絡設備端口，其特征在于，所述差分線設置在 印制板內層。
4、 如權利要求l、 2或3所述的網絡設備端口，其特征在于，所述差分線 的彎角不與所述連接線端口的金屬外殼、螺絲孔和接地金屬外皮相對。
5、 如權利要求1所述的網絡設備端口，其特征在于，所述連接線端口與 網絡設備互聯所用連接線為雙絞線。
6、 一種網絡設備，包括設置在印制板上的網絡設備處理芯片和隔離變壓 器，其特征在于，還包括如權利要求1至5任一所述的網絡設備端口。
專利摘要本實用新型公開了一種網絡設備端口，用以增強網絡設備端口的防雷擊能力。該網絡設備端口包括印制板，設置在印制板上的接地金屬外皮、螺絲孔、具備金屬外殼的連接線端口，連接線端口上設置有用于通過差分線連接隔離變壓器的插座引腳，其中，接地金屬外皮與連接線端口的插座引腳之間、與隔離變壓器連接差分線的引腳之間均有間隙，間隙的最小直線距離在印制板外層大于等于1mm，在印制板內層大于等于0.25mm；差分線與連接線端口的金屬外殼之間、與螺絲孔之間、與接地金屬外皮之間均有間隙，間隙的最小直線距離在印制板外層大于等于1mm，或者在印制板內層大于等于0.25mm。本實用新型公開一種網絡設備。
文檔編號H02H9/06GK201181944SQ20082008012
公開日2009年1月14日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者葉良華 申請人:北京星網銳捷網絡技術有限公司