接口的安全设计3.doc

接口安全设计要求通讯设备接口之间的耐压安全测试，是个薄弱点，根据接口安全测试的方法、测试方式，分析安全测试时接口之间的隔离点，根据标准对接口安全测试的严酷度，提出接口安全设计的要求和建议，供大家设计参考，以便顺利通过接口的安全测试。一 标准要求为防止设备使用人员遭受来自通讯网络上过电压的损害，GB4943-2001要求：设备中的TNV-1电路或TNV-3电路与设备用来连接其它设备的电路之间要有充分的电气隔离。并以是否通过稳态或脉冲试验的安全测试作为判定条件。对A10设备，TNV-1电路是E1口、以太网口（对室外），TNV-3电路是电话电路。A10用来连接到其它设备的电路是串口、E1口、网口。因此A10设备的电话口、网口、E1 口与连接到其它设备上的网口、E1 口、串口之间的绝缘要满足一定电气隔离要求，即接口之间要达到一定的耐压或绝缘要求，要通过标准规定的稳态或脉冲试验测试。.GB4943-2001 规定的用以判定接口间是否有充分的电器隔离的稳态、脉冲试验测试简要介绍如下 ：1脉冲试验：在测试的两接口之间，施加波形10/700 us，交替极性的10个脉冲电压，电压幅度：1。5KV，间隔时间60s的测试.。判据：绝缘不应击穿。判断绝缘是否击穿的方法：(a) 在施加脉冲期间，一般通过观察示波器波形。从脉冲波形判断是雷击保护器件动作还是绝缘击穿。(b) 常用的是脉冲实验后，通过测量绝缘电阻来判断。要求测试后接口间绝缘电阻大于2M欧。绝缘电阻的测试：采用绝缘电阻测试仪器，若测试电压采用500V直流电压，雷击保护器件扯下；若雷击保护器件不拆下，测试电压用小于雷击保护器件动作电压的10%的直流电压进行测试。在对用户口和网口、串口进行脉冲测试期间，雷击保护器件动作（或气体放电管打火）是允许的。脉冲试验类似雷击试验，相对稳态试验，这项测试比较好通过。2稳态试验：在测试的两接口之间，施加交流电压1。0KV，频率是50Hz，持续时间60 s。或在测试的两接口之间，施加直流电压1。414 KV，持续时间60 s。若接口上的保护器件单独通过了脉冲试验，则稳态实验时保护器件可拆下进行试验。判据：测试时仪器不报警（电流不超过10MA）不同的要求：GB和IEC60950及EN60950标准要求，稳态和脉冲测试只进行一种就可以了；澳大利亚要求脉冲和稳态试验两种都要测试，而且稳态测试电压要求是1。5KV。稳态试验是最难通过的一项测试，以下分析的过孔、PCB间距等这些隔离点，往往都是PCB设计间距不够，造成打火，稳态试验不通过。3 稳态和脉冲测试电路稳态、脉冲实验测试电路示意图如下：EUT(受试设备)L N PE * a)b) c) 仅连接c） *抓握零部件实例金属箔 测试仪 与通信网络的连接端(不接通信网络，本身短接) A10 设备的电话口、网口、E1 口与连接到其它设备上的网口、E1 口、串口之间的稳态、脉冲安全试验测试，应按照图中c) 的连接进行测试。稳态试验时，测试仪器为稳态试验测试仪器；脉冲试验时，测试仪器为雷击测试仪器。例如电话口和网口之间进行脉冲或稳态试验测试时，将电话口A、B线短接在一起作为一个极，网口所有线短接在一起作为一个极，分别接在安全测试仪器的两个极，进行稳态或脉冲实验测试。一般满足我国GB4943-2001 的要求,就可满足CE、UL的要求。二 需要安全测试的接口对A10设备需要进行安全测试的接口列表如下：A10安全测试需要的测试的端口对：接口名称（通讯网络有过电压）接口名称是否需要测试电话口网口需要电话口串口需要电话口E1 口75欧姆，因E1线外层接地，不需要；120欧姆需要 网口网口需要网口串口需要网口E1 口75欧姆因E1线外层接地，不需要；120欧姆需要E1 口E1 口75欧姆时E1线外层接地，不需要；120欧姆需要E1 口串口需要（待讨论）三 安全测试时的电路分析接口之间电气隔离，即耐压、绝缘强度，是靠两接口之间的隔离点的隔离度来达到的，接口要通过标准规定的耐压、脉冲安全测试，两接口之间的隔离点就要满足一定的电气隔离要求，因此，搞清楚安全测试时接口之间所有通路上的隔离点，对设计和查找安全测试出现的问题都很有意义。隔离点分析清楚了，设计时可根据安全测试的严酷度，对各隔离点提出具体设计要求，产品出来后，安全测试就容易通过。即使安全测试出现问题，可从这些隔离点入手分析，也会很快找到问题所在，提高解决问题的效率。单从电路上看，接口之间隔离点只是器件，如信号变压器等，但具体到PCB板上，这些隔离点就不单是器件，还包括过孔、印制线的间距。以下以A10相关接口之间安全测试时的电路为例，根据接口之间电路及板上的PCB连线、过孔，来分析安全测试时接口之间的隔离点。（一）A10相关接口之间的电路及隔离点分析1 安全测试时保护器件1电阻网口接口芯片电容GNDP变压器GNDP安全测试仪器。测试时在两网口间加测试电压保护器件2电阻网口接口芯片电容网口1网口2变压器GNDP，网口和网口之间的电路示意图 图1从网口1、网口2间的电路看出，网口间所有通路的器件隔离点是：两网口的变压器；网口变压器输出端接保护地电容；保护器件具体到PCB板上，隔离点如下：网口变压器输出端信号连线上的过孔、电阻、电容之间连线上的过孔与GNDP、GNDD、VCC的间距； 网口输出变压器输出端信号网络的PCB线、电阻、电容的PCB连线和GNDP、VCC、GNDD的间距；保护器件电阻电容网口接口芯片网口GNDPGNDP变压器串口芯片保护器件电容串口GNDPGNDPGNDVCC串口座VCCGND安全测试仪器。测试时在网口和串口之间间加测试电压2 安全测试时，网口和串口之间的电路示意图图2上图中的串口上的电容和保护器件，有的串口只有电容，有的只有保护器件。从网口和串口间的电路看出，电路上两接口间的器件隔离点是：网口变压器；网口变压器输出端接保护地电容和串口信号线上接保护地的电容；保护器件；串口座具体到PCB板上，隔离点如下：网口变压器输出信号线网络上的过孔、电阻电容连线上的过孔与GNDD、GNDP、VCC的间距；网口变压器输出信号网络的PCB信号线、电阻、电容PCB连线与GNDP、GNDD、VCC 的间距；网口、串口所在板的保护地GNDP和工作地GNDD、VCC的间距；串口信号线上的过孔、串口信号的PCB印制线和GNDP的间距；3 安全测试时，E1 口和串口之间的电路示意图安全测试仪器测试时在E1口和串口之间加测试电压保护器件网口接口芯片GNDP变压器串口芯片电阻保护器件电容串口GNDPGNDPPTC电阻E1 口串口座GNDVCCVCCGND图3图3 中的串口上的电容和保护器件，有的串口只有电容，有的只有保护器件。E1口上的PTC有的有，有的没有，现在新的设计都没有从E1口和串口间的电路看出，电路上两接口间的器件隔离点是：E1 变压器；保护器件；串口线上接保护地的电容；串口座。具体到PCB板上，隔离点如下：E1变压器输出信号网络上的过孔与GNDD、GNDP、VCC的间距；E1变压器输出信号网络上的PCB连线与GNDD、GNDP、VCC的间距E1 口、串口所在板的保护地GNDP和工作地GNDD的间距；串口输出信号网络PCB线及其上的上的过孔和GNDP的间距；安全测试仪器。测试时电话口和串口之间加测试电压用户接口芯片电话口保护器件1PTC电阻继电器 VCCGNDPGND网口接口芯片串口 保护器件2电容GNDPVCCGND电阻串口座GNDP4 安全测试时，电话口和串口之间的电路示意图图4图4 中的串口上的电容和保护器件，有的串口只有电容，有的只有保护器件。从E1口和串口间的电路看出，电路上没信号隔离变压器，安全测试时，其中一条通路上的隔离点最弱，这条通路就是：由电话口经过PTC电阻、继电器到用户接口芯片的地GND再到串口接口芯片的地直接到了串口信号线上，然后经过串口信号线上的电阻到达串口。整个路径的隔离点仅是用户接口芯片内A、B输出口和地之间的击穿电压，这个电压很低，只有30伏左右。所以A10 设备电话口和串口之间的安全测试是过不掉的。只有在用户口加信号变压器才能可能满足安全测试要求5 安全测试时，电话口和网口之间的电路示意图安全测试仪器在两接口间加测试电压。若是耐压测试，接口之间加1000伏用户接口芯片电话口保护器件1PTC电阻继电器 VCCGNDPGND网口接口芯片网口 保护器件2电阻电容GNDPVCC变压器GND图5从电话口和网口间的电路看出，电路上两接口间的器件隔离点是：网口变压器；保护器件；网口输出端接保护地的电容。具体到PCB板上，隔离点如下： 网口输出变压器输出信号线PCB上的过孔、电阻、电容连接线PCB上的过孔与GNDD、GNDP、VCC的间距； 网口输出变压器输出信号的PCB线及电阻、电容之间的PCB连线和GNDD、GNDP、VCC的间距；综上所述，各接口之间的隔离点总结列表如下：相关接口之间的隔离点两接口之间的隔离点接口名称隔离点接口1接口2电话口网口器件隔离点1 口变压器；2 网口变压器输出端接保护地电容；3保护器器件；具体到PCB板上，隔离点：1 网口输出变压器输出信号网络PCB上的过孔、电阻、电容PCB连线上的过孔与GNDD、GNDP、VCC的间距；2网口输出变压器输出信号网络PCB线、连接电阻、电容的PCB连线和GNDD、GNDP、VCC的间距；电话口串口对A10 设备，串口、用户口没信号变压器，这两个口之间的脉冲和稳态的安全测试肯定通过不了，测试反而损坏了电路板，建议不要测试。这个问题需要与安全专家讨论。我们设计上是否改，待讨论。网口网口器件隔离点：两网口的变压器；网口变压器输出端接保护地电容；保护器件。具体到PCB板上，隔离点：网口变压器输出端信号网络上的过孔、电阻、电容之间连线上的过孔与GNDP、GNDD、VCC的间距； 网口输出变压器输出端信号网络的PCB线、电阻、电容的PCB连线和GNDP、VCC、GNDD的间距；网口串口器件隔离点：网口变压器；网口变压器输出端接保护地电容和串口信号线上接保护地的电容；保护器件；串口座具体到PCB板上，隔离点：网口变压器输出信号线网络上的过孔、电阻电容连线上的过孔与GNDD、GNDP、VCC的间距；网口变压器输出信号网络的PCB信号线、电阻、电容PCB连线与GNDP、GNDD、VCC 的间距；网口、串口所在板的保护地GNDP和工作地GNDD、VCC的间距；串口信号线上的过孔、串口信号的PCB印制线和GNDP的间距；E1 口串口器件隔离点：E1 变压器；保护器件；串口线上接保护地的电容；串口座。具体到PCB板上，隔离点如下：E1变压器输出信号网络上的过孔与GNDD、GNDP、VCC的间距；E1变压器输出信号网络上的PCB连线与GNDD、GNDP、VCC的间距E1 口、串口所在板的保护地GNDP和工作地GNDD的间距；串口输出信号网络PCB线及其上的上的过孔和GNDP的间距；（二）以电话口和网口为例，详细分析两接口之间的隔离点及通路电话口和网口（见图5）之间，是被变压器、保护器件、网口变压器输出端接保护地的电容、孔、线间距的隔离点隔开的，进行安全测试时，测试电压加在这些隔离点上，一旦某一薄弱的隔离点隔离强度不够，就会打火击穿，导致这个隔离点所在通路导通，通路有电流流过，安全测试不过。下面按隔离点来分析电话口和网口间的几条通路：电话口用户接口芯片GNDD或VCC网口接口芯片网口接口芯片输出网口变压器网口1 隔离点为网口变压器的通路一旦选择的变压器隔离度不够，高压击穿，由网口到电话口点形成电气回路，安全测试不过。电话口保护器件1 GNDP网口变压器输出侧电容C网口2 隔离点为网口变压器输出侧的电容的通路一旦选择的电容耐压不够，被高压击穿，电话口和网口之间就形成电气回路，安全测试不过。若测试施加交流电压，这个电容允许去掉。3 隔离点是网口变压器输出信号PCB连线上的过孔、电阻电容连线上的过孔与GNDP间距电话口保护器件1GDNP 到变压器侧GNDP网口变压器输出信号线上的过孔、电阻电容连线上的过孔与GNDP间距网口若PCB设计时，这个间距设计的不够，耐不住安全测试电压，尤其是1000伏耐压测试，就会击穿崩溃，电流超过10MA，安全测试过不掉。这个隔离点在PCB设计时往往被忽视。注意：过孔在TOP和BOTTOM层表面，与GNDP间距要求不少于3.5mm；若过孔在PCB内层，因其与GNDP之间有FR4介质，这个间距要求至少2.0 mm。4 隔离点是网口变压器输出信号线上的过孔、电阻电容连线上的过孔与GNDD、VCC平面间距电话口用户接口芯片GNDD、VCC网口变压器输出信号线上的过孔、电阻电容连线上的过孔与GNDD、VCC间距网口若PCB设计时这个间距设计不够，耐不住安全测试电压，就会击穿崩溃，电流超过10MA，安全测试过不掉。这个隔离点在PCB设计时也往往被忽视。注意：电话口用户接口芯片或保护器件1GDNP GNDDVCC网口输出变压器输出信号网络PCB线、连接电阻、电容的PCB连线和GNDD、GNDP、VCC的间距；网口若过孔在TOP和BOTTOM层表面，与GNDD、VCC间距要求不少于3.5 mm；若过孔在PCB内层，因其与GNDD、VCC之间有FR4介质，这个间距要求至少2.0 mm。5隔离点是网口输出变压器输出信号网络PCB线、连接电阻、电容的PCB连线和GNDD、GNDP、VCC的间距；其通路如下。PCB设计时一旦这个间距设计不够，就会产生打火，电路电流超过10MA，导致安全测试不过。这个隔离点在PCB设计时也往往被忽视。 注意：若这些PCB印制线在TOP和BOTTOM层表面，与GNDP、GNDD、VCC间距要求不少于3.5mm，若这些PCB印制线若在PCB内层，因其与GNDD、VCC这之间有FR4介质，这个间距要求至少2.0mm。对于其它接口间各隔离点的通路分析同电话口和网口是一样的。四 接口安全设计考虑及要求 综上分析，接口之间的隔离点三种：器件、孔间距、PCB印制线间距,以下对这个提出建议和要求如下表：器件选择器件名称器件选择要求接口信号变压器信号变压器的耐压值比稳态测试的安全电压值至少大20%; 建议耐压值1500伏或以上。网口变压器输出端接保护地的电容建议选额定电压为2KV的；现在选的是2KV，对IEC60950、EN60950、GB标准来讲，是足够的，若按澳