户外摄像头、工业网关打过一场雷,或者实验室刚做完 4kV 浪涌,回来一看:某个网口灯不亮、链路起不来,或者只能跑百兆。板上从外到里依次是:RJ45;挂在网变线侧的放电管和 Bob Smith 端接;网络变压器(网变集成在 RJ45 里的,下文叫集成网口);再往里是 ESD 管和 PHY。到底先换哪一颗?很多人的第一反应是“网变离网线最近,肯定是它先挨打”,直接换网变;换完不好,再整板报废。
这里有两个常见误解。第一,浪涌后网口不通,坏的不一定是网变:绕组被浪涌直接烧断并不多见,PHY 侧的 ESD 管和收发前端更脆弱。第二,网口还能通,不代表什么都没坏,有几种损伤根本不影响通信。本文给出一套断电后用万用表、LCR 表和兆欧表“分侧量”的方法,判据尽量用沃虎官网网变和集成网口的公开参数。线侧量完大约 10 分钟,就能缩小到线侧、隔离层或 PHY 侧。
#一、先说结论:别急着先换网变,先量再换
浪涌进入网口后大致有三种走法。共模浪涌(8 根线一起对大地)的电压加在网变初次级之间的隔离和 Bob Smith 高压电容上,真正把能量泄掉的是线侧对机壳(大地)的放电管;Bob Smith 那颗 1nF 电容在 4kV 下只储存约 8mJ,泄不了多少能量,反而常常是被打坏的那一颗。不同线对之间的浪涌,对每个绕组来说仍是共模,电流经中心抽头和 75Ω 端接电阻流过,这是 75Ω 电阻被烧开路的常见原因。只有同一对两根线之间的差模浪涌,会经网变耦合到 PHY 侧,落在 ESD 管和 PHY 收发前端上。另外,共模浪涌如果让隔离屏障或 PCB 隔离带闪络,或者因线对不平衡转成差模,也会直接打到 PHY 侧。
沃虎官网几篇防护文章描述的浪涌损坏,都落在 PHY 侧:网口 ESD 二极管选型一文提到,放电管没有先动作时,后面的 ESD 管会被打穿,“第一次浪涌试验后网口就死了”;百兆网口防护一文写到浪涌会打穿 PHY 收发前端,让网口“变聋”;IP 摄像头网口设计一文写到,拆开返修件,PHY 或网口区域被烧黑。
那为什么还要先量网变?因为它最快:从 RJ45 口和 PHY 侧各量一遍同一对两脚的电阻,几分钟就能排除绕组断线。官网千兆网口排障一文说“协商失败先别急着换 PHY,问题很可能在网口磁件”,讲的是设计选型上的坑,比如料号用错、漏感过大、中心抽头或端接接错,不能照搬到浪涌之后。也有隔离先被打穿、两边一起坏的情况,所以查到 PHY 坏了,也要把隔离量一遍。浪涌后常见的坏法有六种:
下面先讲怎么量(第二到第四节),再讲三个最容易误判的地方(第五到第七节)。
#二、第一步:断电从 RJ45 口量线侧,网变和端接坏没坏?
分立网变可以直接量网变线侧引脚;集成网口的线侧在壳体里面,要从 RJ45 插口的触点量。最方便的做法是剪一根 30cm 以内的短网线,剥出 8 根芯线当测试头。量绕组电阻前,先把同一对两根芯线在剥线端短接,读数记作清零值。下表的读数适用于千兆、不带 PoE、有 Bob Smith 端接的常规设计,具体以自己板子的原理图为准。
Bob Smith 端接的结构是:每对线在网变线侧的中心抽头各接一颗约 75Ω 电阻,汇到一个公共点,再通过一颗高压电容(常见 1nF/2kV)接机壳。所以两对之间是两颗 75Ω 串联,约 150Ω;电容一旦短路,线对对机壳就只剩一颗 75Ω。量的时候注意五点:
第一,好的网变线侧 1-2 脚之间只有 1Ω 左右,看起来像短路,其实是正常的。官网替换评估文给出 WHS16037TG 的绕组电阻是 1400mΩ max,网变数据手册解读一文写的是每绕组一般不超过 0.9Ω。真量到几十上百欧,反而要怀疑绕组或焊点。
第二,第 3 项量到约 75Ω,电容、放电管、TVS 都有可能短路,要逐个断开才能确定是哪一颗。第三,百兆口只有 1-2、3-6 两个绕组,4-5、7-8 通常是两根线并在一起再接 75Ω,读到接近 0Ω 是正常的;也有设计这两对不接,读到开路同样正常,以原理图为准。第四,PoE 口线侧中心抽头接着整流桥或供电电路,第 2、3、4 项的读数都会不同,要按原理图判断。
第五,多口器件如果几个口共用一套 Bob Smith 端接,官网 PoE 交换机多口设计一文提到,这种设计浪涌时常常“打坏一个口、整排都坏”,拿相邻口对比也比不出差别,要看原理图。
#三、第二步:PHY 侧读数不对,是 ESD 管坏了还是 PHY 坏了?
动手前先看原理图,确认 ESD 管装在网变哪一侧。不同设计的放法不一样,有的放在线侧,有的放在 PHY 侧。下面按装在 PHY 侧来讲;装在线侧的,和放电管、TVS 一样逐个断开排查。
第一步,先量 PHY 侧绕组:每对 MDI+ 对 MDI- 也应该是 1Ω 量级。读到几十欧以上,说明 PHY 侧绕组或共模电感开路,从 RJ45 侧是量不出来的。
第二步,断电,万用表打二极管档,红表笔接地,黑表笔点 PHY 侧每一对中的一根(同一对两根线经绕组连通),记下读数,再用同样的档位和表笔方向量好口来比。电压型 PHY 读到的是 ESD 管和 PHY 引脚的二极管压降;电流型 PHY 的 PHY 侧中心抽头接在模拟电源上,MDI 既经绕组、又经 49.9Ω 端接连到这条电源轨,读到的其实是整条电源轨对地的读数,各对读数基本一样,只能看出硬短路;要看某一对有没有漏电,得把这一对的中心抽头供电和 49.9Ω 端接都断开再量。某一对明显偏低,先怀疑这一对上的 ESD 管,例如 WHALD03G4U(3.3V、0.3pF、DFN2510-10L)这类低容 ESD。
第三步,用热风枪把这颗 ESD 管拆下来再量。恢复正常,就是 ESD 管坏了,换同型号后上电跑流量、看误码,确认 PHY 没有一起受伤,并回头查放电管为什么没有先动作。仍然偏低,先查同一对上的其他器件:电压型 PHY 的 PHY 侧中心抽头接着 0.1μF 电容到地,这颗电容击穿,会让这一对两根线一起对地短路;电流型 PHY 查 49.9Ω 端接电阻和中心抽头供电。这些都排除后仍然偏低,才说明 PHY 引脚内部已经损伤。
第四步,前面各项都和好口一致时,用限流电源上电观察:PHY 是否比好板明显更烫,整板电流是否偏大;用 MDIO 读链路状态、对端能力和错误计数。能读到 PHY ID 只说明数字部分和供电还在,模拟前端坏了照样读得到。
#四、第三步:兆欧表复测隔离,怎么用才不误判
IEEE 802.3 第 14.3.1.1 条(千兆在第 40.6.1.1 条沿用)规定,MDI 全部引线对机壳地和设备其他导体之间的隔离,要通过三项试验之一:1500Vrms、50/60Hz、60 秒;或 2250VDC、60 秒;或 10 次交替极性、间隔不小于 1 秒的 2400V、1.2/50μs 冲击。试验后,在 500VDC 下测绝缘电阻不低于 2MΩ。返修时可以借用这条作为底线:把线侧 8 根线短接在一起,用 500VDC 兆欧表分别量对 PHY 侧地和对机壳。低于 2MΩ 肯定不合格;高于 2MΩ 但比同板好口低几个数量级,也应按劣化处理。
如果线侧装了放电管,而机壳地又和 PHY 侧的地相连(直连,或经电阻、电容),兆欧表一加 500V,放电管会先导通。官网 WHGD090V1P0B 放电管的直流击穿电压只有 90V,同系列 200V、400V 两档也都低于 500V,读数会很低,被误判成网变隔离坏了。官网 Hi-Pot 耐压一文也提到,放电管会让耐压测试误判。测之前要断开放电管、TVS,以及机壳地和 PHY 地之间的连接;Bob Smith 高压电容也在这条路径上,读数偏低时要一并排查。
带防雷的集成网口,例如 SYT111Q303AB2A1DFL(选型表标“+SPD”),内部有防护器件,同样不能简单按 2MΩ 判断,要对照它的内部原理图和规格书再测。
疑似损坏、还没修的板子,不要再打满 1500Vrms 或 2250VDC 耐压,可能把已经劣化的绝缘彻底打穿。500V 兆欧表测过关,也只能排除严重击穿,不能证明还扛得住 1500V。修的时候,网变和 Bob Smith 电容建议直接换新,并用放大镜检查网变下方和隔离带上有没有电弧烧痕、碳化痕迹,这类 PCB 损伤换器件是修不好的。修好的板子如果要回到现场,可以断开放电管后按出厂条件补做一次耐压,确认整条隔离恢复。
#五、误判一:网口能通,不代表没坏
Bob Smith 端接挂在线侧中心抽头上,给共模电流一条回机壳的路,不在差分信号的通路上。网变初次级之间的隔离也一样,只要没有彻底短路,差分信号照样传。所以下面三种情况,网口都能正常 Link、正常 ping:75Ω 电阻被烧开路;Bob Smith 电容被打穿;初次级之间被打出一条漏电通道。
后果要分开看。75Ω 电阻开路,共模端接失效,辐射和抗扰度余量变差。电容短路或初次级漏电,等于线侧对机壳或对 PHY 侧的隔离已经不合格,出厂耐压过不了,下一次浪涌也更容易从这条已经劣化的通道击穿到 PHY 侧。所以浪涌试验后,网口即使能通,也要按第二、第四节把端接和隔离量一遍。
#六、误判二:板上量电感偏低,不代表网变坏了
很多工程师会拿 LCR 表从网口量每对线圈的电感量,对着规格书的 350μH 判断好坏。比如沃虎千兆集成网口 SYT-320DNL 的规格是 OCL ≥350μH(100kHz、100mV、8mA 直流偏置)。问题在于,装在板上时 PHY 侧绕组上可能并着负载:官网电压型与电流型 PHY一文写明,电流型 PHY 每根线要接 49.9Ω,一对线合起来约 100Ω。
算一下:100kHz 下 350μH 的感抗约 220Ω,和 100Ω 并联后,LCR 表在串联模式下读出来约 60μH、83Ω,只有规格下限的六分之一。也就是说,用电流型 PHY 的板子,一颗完全正常的网变会被量成“电感量严重不足”。电压型 PHY 一般不外接端接,但断电时芯片内部呈现多大阻抗各家不同,读数也不能直接套规格书。
在板上真要看电感,可以把 LCR 表切到并联模式(Lp-Rp):并在绕组上的约 100Ω 会被算进 Rp,Lp 会回到接近绕组本身的值。但没有 8mA 偏置时读数会比规格条件偏高,所以最可靠的仍然是和同板好口在同样条件下比,或者拆下来按规格书条件测。电感明显偏低而直流电阻正常,多半是浪涌击穿漆包线绝缘造成的匝间短路,这正是 LCR 这一项要查的。
#七、误判三:千兆掉成百兆,先查 4-5、7-8 两对
100BASE-TX 只用 1-2、3-6 两对线,千兆要用全部四对。千兆 PHY 如果支持并开启了自动降速(downshift),4-5 或 7-8 任何一对出问题都会退到百兆;不支持的 PHY 会直接不通。所以“打雷后只能跑百兆”这个现象,本身就把范围缩小了。
排查顺序是:先换一根好网线、接一个已知正常的对端口,排除网线和对端(雷击时它们也可能一起受损);再重点查 4-5、7-8 两对对应的网变绕组,以及 PHY 侧这两对(芯片手册里一般叫 C、D 对或 MDI2、MDI3)上的 ESD 管;都正常时,再回头查 1-2、3-6 上的 ESD 管有没有轻微漏电,因为千兆对信噪比的要求比百兆高得多,轻伤也可能只够跑百兆。
沃虎代理的景略半导体(JLSemi)千兆 PHY JL2101C-NI 带线缆诊断功能,可以先跑一遍(见 PHY 线缆诊断一文),但 PHY 前端自己坏了,诊断结果也会报异常,不能单凭它判定是网线或网变的问题。
#八、修好以后:要不要换更高隔离的网变?
1500Vrms 是出厂耐压试验的等级,不是击穿电压,不能简单地说“4kV 浪涌一定打穿 1500V 网变”。沃虎官网选型表里 149 个网变,140 个是 1500Vrms 这一档。1500V 网变能不能扛住浪涌,关键看线侧放电管能不能先动作:例如 WHGD090V1P0B 的冲击击穿电压标 600V,低于 1500Vrms 对应的约 2.1kV 峰值,放电管导通后钳住的是线侧对机壳的电压,只有机壳本身接到大地或 PHY 侧的地、回路阻抗足够低时,隔离屏障上的电压才会跟着被限住;机壳悬空时,放电管动作了也护不住隔离。Bob Smith 每口独立,解决的是一个口坏了连累整排的问题。所以浪涌坏了,先检查防护有没有到位,再考虑升隔离。
确实需要升隔离时,优先在同系列里找高隔离版本。例如千兆 24 脚的 WHSG24701G 是 1500Vrms、0~70℃;同系列的 WHSG24701-2KG 是 3000Vrms、0~70℃,WHSG24701F0 是 4000Vrms、-40~85℃、支持 PoE+ 720mA,户外 PoE 口更适合 F0。换料前请用规格书核对焊盘、引脚和耐压试验条件。
百兆的 WHS16037TG(1500Vrms、-40~85℃)有同焊盘的 WHS16037-2KG,两颗的产品页都写明外形和焊盘相同。但 2KG 的 2500VAC 是 1mA、2 秒的试验,标准件的 1500VAC 是 1mA、60 秒,产品页明确说两者不能只比电压高低;它的工作温度也退回到 0~70℃,所以不能当作户外百兆口的抗浪涌升级料。
另外,只换网变不够。隔离试验同样作用在 Bob Smith 电容(常见 2kV)和 PCB 线侧到地、到 PHY 侧的爬电距离上。网变升到 3kV、4kV,电容和 PCB 不跟着升,下一次最先击穿的就会是它们。
#九、返修排查清单(10 条)
按下表从上到下做:第 1 项先记录现象,第 2~6 项断电量线侧和隔离,第 7~8 项查 PHY 侧,第 9~10 项是修好以后的复查。实验室样机改完防护后,再做一次同等级浪涌验证;现场返修件复测参数、跑流量确认不降速即可,不必再打浪涌。
#十、常见问题 FAQ
网口打雷后还能通,需要处理吗?
需要量一下。Bob Smith 电容击穿、端接电阻开路、隔离劣化都不影响通信,但会让隔离耐压不合格、EMC 余量变差。万用表量线对之间和线对对机壳,能查出电阻开路和电容短路;隔离劣化要断开放电管后用 500VDC 兆欧表量。
万用表量网口 1-2 脚只有零点几欧,是不是短路了?
多数情况不是。网变每个绕组的电阻本来就在 1Ω 左右,例如 WHS16037TG 是 1400mΩ max。但如果线侧有跨在线对上的 TVS,它被打短路时读数也接近 0,和正常绕组很难分清,要和好口比,或者断开 TVS 再量。真正异常的是开路,或者明显高于其他几对。
设备只有一个网口,没有好口可比怎么办?
找一块同型号的好板,用同样的档位、同样的表笔方向量同一个点来比。线侧的直流读数也可以直接对照原理图判断:同一对 1Ω 量级,不同线对之间约 150Ω,线对对机壳开路。
兆欧表量出来绝缘很低,换了网变还是低,为什么?
说明漏电不在网变上。最常见的是线侧放电管或 TVS 在 500V 下导通,其次是 Bob Smith 电容漏电、PoE 电路里跨隔离的 Y 电容,或者 PCB 隔离带被电弧碳化。先断开放电管、TVS 和 Bob Smith 电容再测。如果一定要带着放电管测,测试电压要低于它的直流击穿电压,这时读数只能和好口比,不能再套 500VDC/2MΩ 的判据。
多口交换机一次坏了一整排口,是网变批次问题吗?
先看坏的这一排是不是挂在同一颗多口 PHY 或交换芯片上,浪涌从一个口进来打坏这颗芯片,所有口会一起不通。再查端接设计:多个口共用一颗 Bob Smith 电容或一个公共点,浪涌能量会在口与口之间窜,也容易一坏一排。每个口应该有独立的端接网络,单点接到机壳。
集成网口里的网变坏了,能只换网变吗?
不能。网变封在 RJ45 壳体里,只能整颗换:换同料号,或者换规格书确认焊盘、引脚和 LED 都兼容的型号。换下来的坏件可以按第二节的方法从插口触点量一遍,确认确实是它坏了。
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如果你手上有浪涌或雷击后返修的网口板,可以把原理图、故障现象和测量读数发给我们。沃虎 FAE 可以帮你判断是网变、端接还是 PHY 侧的问题,并推荐合适隔离等级的网络变压器和集成网口样品。
——— VOOHU 沃虎电子 技术团队
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