PCB布线不合理造成网口雷击损坏【EMC学习】

【现象描述】

某路由器产品，在实际使用当中，在遭受一次雷击事件后，发现以太网通信不正常。

进一步检查发现是以太网口的物理层不能正常连接。测试发现，以太网 PHY 芯片的接收端已经对地短路。进一步检查发现布在PCB 顶层的以太网接收线已经被烧断，这段 PCB 布线有明显的过流痕迹。以太网接收线被烧断后的连接示意图如下图所示。

【原因分析】

该产品的以太网接口PCB板布线情况是：

RJ45 到变压器之间的接收信号布在 TOP 层，发送信号布在 BOTTOM 层，RJ45 是带有金属屏蔽的。据雷击现象的研究结果，雷击时产生的过电压、过电流首先会在屏蔽电缆的屏蔽层上，然后再通过屏蔽层与地影响内 部电路。

但是由于屏蔽金属外壳与PCB 的间隙很小，雷击产生的大电流使网线的屏蔽层上出现很高的压降， 而屏蔽电缆的屏蔽层与 RJ45 连接器的外壳是互连的，这样造成 PCB 上的以太网线接收信号线与 RJ45 的屏蔽金属外壳之间绝缘击穿。

由于击穿回路的阻抗较小，故很大的雷电流通过PCB 的布线将该信号线烧断。同时，信号线（地）击穿屏蔽层，在网线屏蔽层上的高共模电压部分转换为以太网信号线之间的差模电压，进而造成网口PHY 芯片的损坏。

在以太网接口中，由于网口变压器差模传输的特性可以作为共模雷击过电压、电流保护的隔离，在产生雷击时，网口屏蔽电缆上产生很高的共模电压。

如果高压信号部分与其他低电压信号线之间的绝缘耐压不够，两者之间的电压超过本身的耐压能力后，就会造成击穿。击穿意味着电压、电流从高压处传向低压处后，将在信号线上形成很大的电流。

击穿的现象包括电压、电流、阻抗等在不同的信号线上会有一定的不同。正由于这些不同导致将共模电压转换成差模电压，对于一定频率的差模信号，变压器失去了隔离的作用，高压就会顺利通过变压器传送到电路上去，造成后级电路的损坏。

网口连接器RJ45的金属屏蔽壳包围着网口的四周。如果信号布线在TOP层，信号线与连接器的金属外壳之间的绝缘间隙就不能满足一定的耐压要求。

因此，如果采用金属外壳的屏蔽网口连接器，则网口连接器与变压器之间的信号线不能布在TOP 层，否则必须做电压钳位型的共模保护或采用特殊的绝缘处理。

【处理措施】

将以太网接口变压器初级的信号布线改布在PCB 内层， 以加强信号线与RJ45连接器外壳之间的绝缘强度。

【思考与启示】

如果产品使用区域有可能会发生雷击，而且由于其他原因使用以太网线及屏蔽连接器，故建议不要将以太网接口电路变压器初级的信号线布置在表层或底层。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》