1.問題描述

某系統信號線雷擊要求滿足線-地標稱3kA放電電流，干接點和RS485雷擊線地試驗結果如表1所示。
表1 干接點和RS485雷擊試驗結果

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

2.故障診斷

查看整個系統，RS485通信鏈路包含接口轉接板、接口防護板及收發信板三個模塊，各模塊功能如下：

a) 接口轉接板：提供連接器與接口防護板RS485轉接功能；

b) 接口防護板：提供RS485信號雷擊保護功能；

c) 收發信板：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

根據圖1，雷擊電流從線纜注入后，經過連接器到達接口轉接板，然后再到接口防護板，最終到達收發信板的只是經過防護板之后的殘壓。打開機殼，首先目視查看相關部分單板，發現接口防護板和收發信板無明顯異常，但是，接口轉接板37芯連接器位置有一處燒毀，如圖2所示。

圖2 雷擊損壞的接口轉接板

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

3.原因分析

本系統由于37芯連接器管腳針密度很大，從可靠性角度考慮，需要使用接口轉接板進行轉接，但是，由于接口轉接板位置在接口防雷板之前，所以，接口轉接板首先承受雷擊能量，因此，設計時需要重點關注其防雷能力。

查看接口轉接板PCB，如圖3所示。

圖3 接口轉接板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，根據實踐經驗，線-地3kA雷擊時表層布線寬度要求不小于40mi/2OZ，內層考慮到散熱更大，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，雷擊時接口轉接板損壞的根本原因是PCB布線寬度未達到通流量要求，因此，必須對接口轉接板進行改板，增加雷擊信號布線寬度以滿足雷擊通流量要求。

防雷單板原理圖優化設計需要遵循抓大放小的原則，即抓住重點，舍棄次要，根據雷擊試驗網絡、關鍵信號網絡、普通信號網絡等重要程度進行重點識別，然后結合PCB布線對原理圖進行綜合優化，以便于PCB布線時可以更好的實現關鍵網絡的布線。

接口轉接板控制信號RS485提供通訊功能，4對干接點Node信號提供環境告警功能，它們都是業務信號且使用在室外環境，需要進行雷擊試驗，因此，是PCB布線時需要重點關注及保證功能的網絡。

接口轉接板原理圖和雷擊信號網絡如圖4所示。

圖4 接口轉接板原理圖及雷擊信號網絡

圖4中紅線標識的就是雷擊關鍵信號網絡，在PCB布線時需要首先進行布線并設置好與其它布線、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其重要程度逐一進行。

接口轉接板PCB布線空間有限，根據對原理圖和PCB的分析，結合信號實際中的功能及使用情況，對部分網絡可以進行優化。其中，原理圖中RS232調試串口和PA_ON_OFF功放開關信號實際中不使用，因此可以優化刪除，以節省PCB布線空間和降低布線的難度，如表2所示。

表2 優化刪除的信號網絡及功能

根據前面的故障分析，PCB布線通流不足是導致問題的根本原因，結合以前的實踐經驗，在3kA試驗應力時，PCB布線應滿足如下要求：

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規格，或采用多個過孔滿足此要求。

另外由于進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，結合以前的實踐經驗，在3kA試驗應力時，高壓與低壓網絡需要滿足的安全絕緣距離如表3所示。

表3 高壓與低壓網絡安全絕緣距離

5.實踐效果

經過以上結合防雷、信號功能及PCB布線等方面對原理圖進行優化設計之后，改進后的原理圖如圖5所示。

圖5 接口轉接板原理圖及雷擊信號網絡

在PCB改板時，大部分雷擊信號網絡管腳在連接器插針內排，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絡的空管腳加以利用，將部分雷擊信號網絡從閑置的空信號管腳引出。

B15_RS485_PI_RX-和B15_RS485_PI_RX-網絡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管腳網絡設置為空管腳，BOOT_CHOICE _PI運行選擇信號和RESERVED_CHOICE預留信號使用9管腳GND作為信號回路。

改板后的接口轉接板，通過對原理圖網絡優化并巧妙利用空置的信號管腳，使得密集連接器區域的雷擊信號布線得以優化出線，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 優化設計的PCB

系統更換改進后的接口轉接板并運行正常后，重新對接口轉接板進行雷擊試驗，試驗結果如表4所示。

表4 改板后干接點和RS485雷擊試驗結果

從表4可以看出，PCB改板之后，在標稱3kA雷擊試驗時，系統功能正常，試驗通過。

【總結】

PCB布局布線和雷擊浪涌試驗有關系嗎？咋一看貌似八竿子打不著，要說一點沒關系，也不可能，想想高電壓大電流，誰不是繞道走；要說有關系，也挺牽強，那還要防護電路干嘛！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。本案例產品浪涌防護電路設計的固若金湯，但戲謔的是，干擾劍走偏鋒，防護電路瞬間成為擺設，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，防雷電路設計時，由于高電壓大電流的特性，工程師不能只盯著防護電路，顧此失彼，器件、原理圖、PCB、結構、接地等等一盤棋，全局考慮才是王道！

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