作者：Steven Keeping

　　投稿人：Digi-Key 北美編輯

　　千兆以太網(wǎng) (GbE) 是一種強(qiáng)大的高速通信系統(tǒng)，廣泛用于家庭、商業(yè)和工業(yè)場所。然而，以太網(wǎng)系統(tǒng)確實(shí)存在挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)連接延伸到建筑物之外時(shí)。延長線路可能會(huì)受到意外的高電平瞬態(tài)電壓和電流的影響，靜電放電(ESD)是一種持續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　GbE 物理層 (PHY) 確實(shí)包括一些提供一定程度保護(hù)的組件，例如隔離變壓器。但是，不能依靠內(nèi)置的瞬態(tài)電壓緩解功能在所有情況下提供保護(hù)。

　　瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管是一種經(jīng)過驗(yàn)證、價(jià)格低廉且可靠的電路保護(hù)器件，適用于空間受限且成本受限的應(yīng)用，例如 GbE。在正常操作下，設(shè)備顯示為透明。然而，這些器件必須保護(hù)多個(gè)通信通道免受高達(dá) 40 安培 (A) 的浪涌電流和高達(dá) 30 千伏 (kV) 的 ESD 的影響，并在正常使用中保持低負(fù)載電容，以確保高速信號(hào)完整性。

　　本文介紹了GbE高壓瞬變和ESD保護(hù)帶來的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，然后考慮了能量抑制所需的TVS二極管的獨(dú)特特性。然后，本文介紹了該問題的一些商業(yè)解決方案，然后展示了如何將所選設(shè)備設(shè)計(jì)成符合IEC 61000-4-2、-4和-5等標(biāo)準(zhǔn)的瞬態(tài)保護(hù)系統(tǒng)。

　　瞬態(tài)電壓效應(yīng)帶來的危險(xiǎn)

　　GbE 是一種有線高速通信系統(tǒng)。銅連接承載差分信號(hào)，代表構(gòu)成數(shù)字信號(hào)流的“零”和“一”。然而，銅線也是高瞬態(tài)電壓和ESD事件的完美傳輸機(jī)制，可能會(huì)損壞硅電路元件(圖1)。

　　圖 1：如果沒有保護(hù)，GbE PHY 可能會(huì)被高瞬態(tài)電壓和 ESD 破壞。(圖片來源： 賽姆泰克)

　　GbE PHY 的設(shè)計(jì)包括通過隔離變壓器提供一定程度的保護(hù)。GbE 規(guī)范 (IEEE 802.3) 要求最小隔離額定值為 2.1 kV。大多數(shù)商用變壓器提供 4 至 8 kV 隔離。此外，GbE 接口通常包括一個(gè)共模扼流圈 (CMC)，這是一種用于阻斷更高頻率交流電以幫助降低 ESD 尖峰的電感器。最后的保護(hù)程度來自“鮑勃·史密斯”終止。這使用一個(gè) 75 歐姆 (Ω) 電阻器來實(shí)現(xiàn)共模阻抗匹配，用于通過電容器共同連接到地的信號(hào)對(duì)。端接有助于減少后面討論的共模輻射(圖 2)。

　　圖 2：GbE 物理層包括一些針對(duì)瞬態(tài)電壓的內(nèi)置保護(hù)，包括隔離變壓器、共模扼流圈和電阻端接電路。(圖片來源：Semtech)

　　僅僅依靠 GbE PHY 隔離變壓器、CMC 和端接電路進(jìn)行全面保護(hù)是有風(fēng)險(xiǎn)的。雖然這些組件提供了一些瞬態(tài)電壓緩解，但有幾種情況會(huì)使端口受到損壞。

　　GbE瞬態(tài)電壓偏移本質(zhì)上可分為共模或差模。在共模電壓瞬變期間，所有 GbE PHY 導(dǎo)體相對(duì)于接地瞬時(shí)上升到相同的電壓。由于所有導(dǎo)體都處于相同的電位，因此沒有電流從一個(gè)導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)導(dǎo)體。相反，電流流向地面。電流的常見路徑是通過變壓器中心抽頭通過導(dǎo)體接地，并通過終端電路(圖 3)。

連接器接地的圖像" src="https://supp.iczoom.com/images/public/202304/1681783287455046595.jpg" width="396" height="224"/>

　　圖 3：高瞬態(tài)電壓共模電流通過隔離變壓器中心抽頭流經(jīng) RJ-45 連接器接地。(圖片來源：Semtech)

　　差模浪涌不同。電流通過變壓器流入差分對(duì)的一條信號(hào)線上的 GbE 端口，然后流出另一條信號(hào)線上的端口。流過變壓器初級(jí)繞組的瞬態(tài)電流在次級(jí)繞組中感應(yīng)出電流浪涌。一旦浪涌被消除，變壓器中存儲(chǔ)的能量將轉(zhuǎn)移到脆弱的GbE PHY所在的位置。正是這種轉(zhuǎn)移的能量充其量會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和毛刺，最壞的情況是導(dǎo)致永久性損壞(圖 4)。

　　圖 4：差模浪涌在隔離變壓器上感應(yīng)電流，可能會(huì)損壞敏感的電子電路。(圖片來源：Semtech)

　　圖4顯示，差模浪涌是最危險(xiǎn)的，因?yàn)樗鼤?huì)使GbE PHY暴露在潛在的破壞性電壓下。隔離變壓器的次級(jí)側(cè)需要額外的保護(hù)，以防止這些浪涌。

　　使用TVS二極管進(jìn)行浪涌保護(hù)

　　保護(hù) GbE PHY 需要能夠隔離、阻斷或抑制大瞬態(tài)能量脈沖的設(shè)備。額外的變壓器可以完全隔離以太網(wǎng)電子設(shè)備，但體積龐大且價(jià)格昂貴。保險(xiǎn)絲是一種廉價(jià)的阻斷方法，但必須在每次跳閘事件后復(fù)位或更換。TVS二極管是一個(gè)很好的折衷方案;它們有效地將峰值瞬態(tài)電壓抑制到安全水平，不需要重置，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格合理。

　　在結(jié)構(gòu)上，TVS二極管是一個(gè) p-n 專門設(shè)計(jì)具有大結(jié)橫截面積的器件，可吸收高瞬態(tài)電流和電壓。雖然TVS二極管的電壓/電流特性與齊納二極管相似，但這些器件設(shè)計(jì)用于電壓抑制而不是電壓調(diào)節(jié)。與其他抑制器件相比，TVS 二極管的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是其對(duì)電瞬變的快速響應(yīng)(通常在納秒內(nèi))，將瞬態(tài)能量安全地轉(zhuǎn)移到地，同時(shí)保持恒定的“鉗位”電壓(圖 5)。

　　圖 5：TVS 二極管為高于閾值電平的瞬態(tài)電壓提供低阻抗接地路徑。因此，受保護(hù)電路僅受安全電壓的影響。(圖片來源：Semtech)

　　在正常工作期間，TVS二極管向電路提供高阻抗，電壓高達(dá)其工作電壓(VRWM).當(dāng)設(shè)備端子兩端的電壓超過擊穿電壓(VBR)，雪崩擊穿發(fā)生在二極管的結(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致其“回彈”或切換到低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)。這會(huì)將電壓降低到鉗位水平(VC)作為瞬態(tài)峰值脈沖電流(I聚丙烯) 流經(jīng)設(shè)備。受保護(hù)電路承受的最大電壓等于VC 并且通常適度。一旦電流降至保持電流以下(IH)，TVS二極管返回到高阻抗關(guān)斷狀態(tài)(圖6和表1)。

　　圖 6：TVS 二極管工作特性。在擊穿電壓下，元件切換到低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)，并在瞬態(tài)峰值電流通過時(shí)將電壓降低到安全的鉗位水平。(圖片來源：Semtech)

　　表 1：圖 6 的參數(shù)定義。(表源：Semtech)

　　來自知名制造商的 TVS 二極管旨在保護(hù)接口，同時(shí)滿足 IEC 61000-4-2 (ESD)、IEC 61000-4-4 (EFT) 和 IEC 61000-4-5(閃電)等文檔中詳述的嚴(yán)格抗擾度標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEC 61000-4-5規(guī)定了如何測試?yán)擞靠箶_度，提供了用于確定TVS二極管能力的典型浪涌波形的詳細(xì)信息。波形模擬間接雷擊，在8微秒(μs)內(nèi)達(dá)到其峰值電流值(tp)的90%，并在20 μs內(nèi)衰減到其峰值的50%。數(shù)據(jù)表通常將其稱為“8/20 μs波形”，并提供了波形最大峰值脈沖電流(I聚丙烯)，保護(hù)裝置可以承受。數(shù)據(jù)手冊(cè)通常還詳細(xì)說明了產(chǎn)品對(duì)1.2/50 μs間接雷擊引起的相關(guān)電壓浪涌波形的響應(yīng)(瞬態(tài)浪涌在1.2 μs內(nèi)達(dá)到峰值電壓，并在50 μs內(nèi)衰減到峰值的50%)。

　　TVS二極管的另一個(gè)關(guān)鍵保護(hù)特性是其“ESD耐受電壓”。這是保護(hù)裝置可以承受的最大靜電放電電壓而不會(huì)損壞，通常為數(shù)十kV量級(jí)。

　　用于千兆以太網(wǎng)物理層保護(hù)的 TVS 二極管

　　除GbE外，TVS二極管還可用于保護(hù)各種接口，包括HDMI，USB Type-C，RS-485和DisplayPort。但是，這些接口中的每一個(gè)都需要微妙不同的保護(hù)級(jí)別。因此，TVS二極管必須針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　例如，Semtech制造了一個(gè) TVS二極管系列 針對(duì) GbE 接口保護(hù)。這些器件采用一種工藝技術(shù)制造，Semtech表示，相對(duì)于其他硅雪崩二極管工藝，該技術(shù)可降低漏電流和電容。該產(chǎn)品系列的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有 3.3 至 5 伏(取決于版本)的低工作電壓，以節(jié)省能源。

　　例如，RailClamp 系列包括 RCLAMP0512TQTCT 適用于 2.5 GbE 接口保護(hù)。該設(shè)備具有I聚丙烯 20 安培 (A) (tp = 8/20 和 1.2/50 μs) 和峰值脈沖功率 (PPK) 的 170 瓦。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。五世BR 為 9.2 伏(典型值)，IH 為 150 毫安 (mA)(典型值)，VC 典型電壓為 5 V，最大值為 8.5 V(圖 7)。

　　圖 7：RCLAMP0512TQTCT 在承受 1.2/50 μs 電壓和 8/20 μs 電流浪涌峰值為 20 A 時(shí)的鉗位電壓特性。在短暫的峰值之后，鉗位電壓穩(wěn)定在 5 V 以下，從而保護(hù) GbE PHY。(圖片來源：Semtech)

　　RCLAMP0512TQ 是一款緊湊型器件，采用 3 引腳 SGP1006N3T 封裝，尺寸為 1.0 x 0.6 x 0.4 毫米 (mm)。

　　Semtech RailClamp系列中還有其他產(chǎn)品，可為在潛在更危險(xiǎn)的情況下使用的1 GbE應(yīng)用提供更大的保護(hù)。這 RCLAMP3374N.南海，例如，具有 I聚丙烯 能力為 40 A (tp = 8/20 和 1.2/50 μs) 和 PPK 1 千瓦 (kW)。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。VC 是 25 伏(最大)時(shí) I聚丙烯 = 40 A。該組件的尺寸為 3.0 x 2.0 x 0.60 mm。

　　RailClamp系列中的中端器件是 RCLAMP3354S.TCT.這適用于 1 GbE 保護(hù)，并提供 I聚丙烯 能力為 25 A (tp = 8/20 和 1.2/50 μs) 和 PPK 400瓦。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。VC 是 16 伏(最大)時(shí) I聚丙烯 = 25 A。

　　TVS二極管保護(hù)設(shè)計(jì)

　　圖 8 顯示了使用 RCLAMP0512TQTCT 的 GbE PHY 保護(hù)方案。這些器件位于變壓器的PHY側(cè)，以防止差模浪涌，每個(gè)以太網(wǎng)線對(duì)上放置一個(gè)器件。以太網(wǎng)差分對(duì)通過引腳 1 和 2 的每個(gè) TVS 二極管組件進(jìn)行路由，引腳 3 未連接。

　　圖 8：TVS 二極管保護(hù)元件放置在變壓器的以太網(wǎng) PHY 側(cè)，穿過每個(gè)差分線對(duì)，并盡可能靠近 PHY 磁性元件。(圖片來源：Semtech)

　　工程師應(yīng)通過將保護(hù)元件放置在盡可能靠近以太網(wǎng)PHY磁性元件的位置來限制保護(hù)路徑中的寄生電感，最好位于印刷電路板(印刷電路板)的同一側(cè)。如果使用微通孔直接與印刷電路板接地層進(jìn)行接地連接，也會(huì)有所幫助。

　　降低寄生電感對(duì)于抑制快速上升時(shí)間瞬變尤為重要。保護(hù)裝置路徑中的電感增加VC 受保護(hù)設(shè)備暴露在其上。VC 與路徑電感乘以浪涌期間電流變化率成正比。例如，僅1納亨利(nH)的路徑電感就可以增加峰值VC 30 A ESD 脈沖，上升時(shí)間為 1 納秒 (ns)。

　　請(qǐng)注意，所選的以太網(wǎng)變壓器需要承受預(yù)期的浪涌而不會(huì)出現(xiàn)故障。典型的以太網(wǎng)變壓器在發(fā)生故障之前可以承受幾百安培(tp = 8/20 μs)，但這需要通過測試來驗(yàn)證?；蛘?，如果懷疑變壓器的浪涌抗擾度，可以將保護(hù)元件放置在變壓器的線路側(cè)。缺點(diǎn)是變壓器提供的額外保護(hù)會(huì)丟失，并且GbE系統(tǒng)承受高能量浪涌的能力僅限于保護(hù)器件的能力。

　　結(jié)論

　　GbE是一種可靠且廣泛的高速通信系統(tǒng)，但是由于雷電和ESD等現(xiàn)象，所有使用導(dǎo)體的系統(tǒng)都會(huì)受到能量瞬變的影響。GbE 端口的變壓器、CMC 和端接電路在一定程度上緩解了此類浪涌，但差模浪涌可以繞過這種抑制并損壞以太網(wǎng) PHY。建議對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)提供額外保護(hù)。

　　TVS二極管是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗鼈冇行У貙⒎逯邓矐B(tài)電壓抑制到安全水平，不需要復(fù)位，并且結(jié)構(gòu)緊湊且價(jià)格適中。建議將保護(hù)元件與應(yīng)用仔細(xì)匹配，因?yàn)樗鼈兙哂袕V泛的功能，包括峰值電流保護(hù)。此外，建議遵守良好的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，例如位置和接地，以最大限度地保護(hù)給定的TVS二極管。