1.问题描述

某系统信号线雷击要求满足线-地标称3kA放电电流，干接点和RS485雷击线地试验结果如表1所示。
表1 干接点和RS485雷击试验结果

从表1试验结果可以看出，RS485 RX雷击试验不通过，断电后重启系统，RS485 RX电压不能恢复。

2.故障诊断

查看整个系统，RS485通信链路包含接口转接板、接口防护板及收发信板三个模块，各模块功能如下：

a) 接口转接板：提供连接器与接口防护板RS485转接功能；

b) 接口防护板：提供RS485信号雷击保护功能；

c) 收发信板：提供RS485通信及管理功能。

RS485通信链路如图1所示：

图1 RS485通信链路

根据图1，雷击电流从线缆注入后，经过连接器到达接口转接板，然后再到接口防护板，最终到达收发信板的只是经过防护板之后的残压。打开机壳，首先目视查看相关部分单板，发现接口防护板和收发信板无明显异常，但是，接口转接板37芯连接器位置有一处烧毁，如图2所示。

图2 雷击损坏的接口转接板

从图2可以看出，接口转接板损坏。为确定防雷板和收发信板是否正常，首先用万用表测量两块单板关键的器件和网络，测试正常，然后系统更换新接口转接板，上电后测量RS485 RX信号电压正常，系统运行后语音也正常，因此确定雷击损坏的为接口转接板。

3.原因分析

本系统由于37芯连接器管脚针密度很大，从可靠性角度考虑，需要使用接口转接板进行转接，但是，由于接口转接板位置在接口防雷板之前，所以，接口转接板首先承受雷击能量，因此，设计时需要重点关注其防雷能力。

查看接口转接板PCB，如图3所示。

图3 接口转接板PCB

图3中PCB中黄色圆圈的部分为单板雷击损坏的位置，此处由于RS485 RX+信号管脚在连接器内部，需要从其它管脚之间引出布线，由于连接器管脚密度很大，考虑到电气安全性等，引出的布线宽度仅为8mil/2OZ，为增加布线通流量，所有四层此处均布线并通过过孔连接，所以总的布线宽度为32mil/2OZ，根据实践经验，线-地3kA雷击时表层布线宽度要求不小于40mi/2OZ，内层考虑到散热更大，因此，雷击损坏的原因为布线通流量不足。

4.整改措施

从前面的分析可以看出，雷击时接口转接板损坏的根本原因是PCB布线宽度未达到通流量要求，因此，必须对接口转接板进行改板，增加雷击信号布线宽度以满足雷击通流量要求。

防雷单板原理图优化设计需要遵循抓大放小的原则，即抓住重点，舍弃次要，根据雷击试验网络、关键信号网络、普通信号网络等重要程度进行重点识别，然后结合PCB布线对原理图进行综合优化，以便于PCB布线时可以更好的实现关键网络的布线。

接口转接板控制信号RS485提供通讯功能，4对干接点Node信号提供环境告警功能，它们都是业务信号且使用在室外环境，需要进行雷击试验，因此，是PCB布线时需要重点关注及保证功能的网络。

接口转接板原理图和雷击信号网络如图4所示。

图4 接口转接板原理图及雷击信号网络

图4中红线标识的就是雷击关键信号网络，在PCB布线时需要首先进行布线并设置好与其它布线、过孔、焊盘、连接器管脚等的安全距离以免高压击穿放电，其它信号线需要在雷击信号线布线完成后根据其重要程度逐一进行。

接口转接板PCB布线空间有限，根据对原理图和PCB的分析，结合信号实际中的功能及使用情况，对部分网络可以进行优化。其中，原理图中RS232调试串口和PA_ON_OFF功放开关信号实际中不使用，因此可以优化删除，以节省PCB布线空间和降低布线的难度，如表2所示。

表2 优化删除的信号网络及功能

根据前面的故障分析，PCB布线通流不足是导致问题的根本原因，结合以前的实践经验，在3kA试验应力时，PCB布线应满足如下要求：

表层布线——布线不小于40mil/2OZ，或采用多层布线满足此要求；

内层布线——布线不小于45mil/2OZ，或采用多层布线满足此要求；

换层过孔——过孔不小于50/90规格，或采用多个过孔满足此要求。

另外由于进行雷击试验的信号线为高压线，需要考虑与其它低压布线、过孔、焊盘、连接器管脚等的安全绝缘距离，以防止高压时击穿，结合以前的实践经验，在3kA试验应力时，高压与低压网络需要满足的安全绝缘距离如表3所示。

表3 高压与低压网络安全绝缘距离

5.实践效果

经过以上结合防雷、信号功能及PCB布线等方面对原理图进行优化设计之后，改进后的原理图如图5所示。

图5 接口转接板原理图及雷击信号网络

在PCB改板时，大部分雷击信号网络管脚在连接器插针内排，由于连接器管脚非常密集，考虑到雷击时信号布线宽度要求，将连接器中未定义网络的空管脚加以利用，将部分雷击信号网络从闲置的空信号管脚引出。

B15_RS485_PI_RX-和B15_RS485_PI_RX-网络直接相邻的管脚为其它信号管脚，PCB布线时只能从焊盘管脚间出线，因布线宽度受限需采用四层布线以满足通流量要求；而NODE_PI_IN1+相邻管脚为5管脚GND，综合分析后可以将5管脚网络设置为空管脚，BOOT_CHOICE _PI运行选择信号和RESERVED_CHOICE预留信号使用9管脚GND作为信号回路。

改板后的接口转接板，通过对原理图网络优化并巧妙利用空置的信号管脚，使得密集连接器区域的雷击信号布线得以优化出线，同时保证了雷击对信号PCB布线宽度的要求，最终改板如图6所示。

图6 优化设计的PCB

系统更换改进后的接口转接板并运行正常后，重新对接口转接板进行雷击试验，试验结果如表4所示。

表4 改板后干接点和RS485雷击试验结果

从表4可以看出，PCB改板之后，在标称3kA雷击试验时，系统功能正常，试验通过。

【总结】

PCB布局布线和雷击浪涌试验有关系吗？咋一看貌似八竿子打不着，要说一点没关系，也不可能，想想高电压大电流，谁不是绕道走；要说有关系，也挺牵强，那还要防护电路干嘛！古人云，“善弈者谋势，不善弈者谋子”，说的是通盘考虑全局的道理。本案例产品浪涌防护电路设计的固若金汤，但戏谑的是，干扰剑走偏锋，防护电路瞬间成为摆设，一溃千里！正所谓兵者，诡道也，乘其不备，让其崩溃。本文的整改方法和思路启示我们，防雷电路设计时，由于高电压大电流的特性，工程师不能只盯着防护电路，顾此失彼，器件、原理图、PCB、结构、接地等等一盘棋，全局考虑才是王道！

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