以太網(wǎng)端口保護(hù)需要智能化策略

除了合適的器件爬電距離和電氣走線間隙之外，良好的以太網(wǎng)端口設(shè)計(jì)實(shí)踐還需要過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)器件。算出印制電路板(PCB)的爬電距離和電氣間隙之后，我們必須為以太網(wǎng)I/O連接的兩端都選擇保護(hù)器件，即線路(RJ-45)側(cè)和驅(qū)動(dòng)器(物理層或PHY)側(cè)。

以太網(wǎng)保護(hù)器件一般是多通道瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管陣列，在各種保護(hù)技術(shù)中，這種陣列可以提供最低的箝位電壓。它們提供了各種各樣的小形封裝，從用于單端口保護(hù)的單個(gè)器件到保護(hù)多條線路的多個(gè)器件。這些器件全部整合在一個(gè)封裝內(nèi)，從而最大限度降低了對(duì)電路板的空間要求。

TVS二極管陣列在以下情況下使用：被保護(hù)的PHY電路需要低箝位電壓、典型值為0.4pF至5pF的低電容以及0.1μA至25μA的低漏電流；必須對(duì)多條線路提供保護(hù)并且電路板空間有限時(shí)；由于各種威脅因素而出現(xiàn)瞬態(tài)電壓時(shí)。

必須為以下四種主要的過(guò)壓電氣威脅選擇具有合適特性的TVS二極管陣列：雷擊引起的浪涌、靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和電纜放電事件(CDE)。低電容在這些器件中尤其重要，它可以避免信號(hào)失真，特別是在吉比特以太網(wǎng)電路中。

TVS二極管陣列必須連接在一起，以確保能夠充分地抑制這些威脅因素。根據(jù)實(shí)際情況，它們應(yīng)盡可能靠近電氣威脅的進(jìn)入點(diǎn)，同時(shí)將相同的地參考作為要保護(hù)的PHY。

威脅抑制可能需要考慮其他的設(shè)計(jì)因素，比如使用保險(xiǎn)絲，將電源線旁路電容接地(靠近PHY電源輸入引腳)，以確保實(shí)現(xiàn)正常的電源濾波。應(yīng)根據(jù)IEC或其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PCB原型進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證PCB布局是否具有合適的爬電距離和電氣間隙。這在出現(xiàn)電力故障和浪涌情況時(shí)，有助于防止電弧形成，并使TVS二極管陣列能夠有效地抑制這些事件的發(fā)生。

爬電距離和PCB走線間隙

為了防止以太網(wǎng)PCB上出現(xiàn)介電擊穿和火花，線路側(cè)和地應(yīng)設(shè)置足夠的爬電距離和走線間隙。爬電距離是兩個(gè)導(dǎo)電部件之間或者一個(gè)導(dǎo)電部件與設(shè)備的邊界面之間沿絕緣體表面所測(cè)得的最短路徑。

足夠的爬電距離可以防止漏電起痕，該過(guò)程會(huì)在絕緣材料表面產(chǎn)生局部衰減的部分傳導(dǎo)通路，從而在絕緣表面或附近產(chǎn)生放電。

漏電起痕的程度取決于兩大因素：PCB材料的相對(duì)漏電起痕指數(shù)(CTI)以及諸如高度、濕度和污染物等環(huán)境因素。CTI指標(biāo)提供了在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試時(shí)由于漏電起痕引起故障的電壓的數(shù)值。IEC 112標(biāo)準(zhǔn)給出了漏電起痕和CTI的全面說(shuō)明。

電氣間隙是兩個(gè)導(dǎo)電部件(比如電路板走線)之間或者導(dǎo)電部件與設(shè)備的邊界面之間在空中測(cè)得的最短距離。電氣間隙有助于防止部件之間由于空氣電離而產(chǎn)生的介電擊穿。介電擊穿水平還受PCB CTI等級(jí)、工作環(huán)境的相對(duì)濕度、溫度和污染程度的影響。

板級(jí)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)在計(jì)算爬電距離和電氣間隙時(shí)考慮峰值工作電壓，不過(guò)還需要考慮電氣瞬態(tài)過(guò)程。有些瞬態(tài)電壓甚至高達(dá)幾千伏。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，要耐受2kV的瞬態(tài)電壓，F(xiàn)R4電路板走線間距應(yīng)至少為25mil。不過(guò)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)雙絞線為5mil、走線寬度為5mil的以太網(wǎng)板布局，該電氣間隙可能太大了。

這是瞬態(tài)保護(hù)的另一個(gè)重要原因：降低高壓使間距可以更小，即高壓會(huì)由于TVS二極管陣列的箝位作用而得到抑制。在UL 60950-1標(biāo)準(zhǔn)中，表2K表明，2.8kV的最小電氣間隙為8.4mm(330mil)，1.4kV的最小電氣間隙為6.4mm(252mil)。不過(guò)這針對(duì)的是穩(wěn)態(tài)電壓，而不是針對(duì)發(fā)生浪涌時(shí)快速上升的dv/dt。因此，通過(guò)TVS保持走線之間的電勢(shì)差對(duì)于電路板布局來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

了解瞬態(tài)事件的特性和極性有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)出最好的以太網(wǎng)端口保護(hù)方案。有了這種理解之后，就可以很好地把握如何定位和連接保護(hù)器件。

雷擊引起的浪涌

大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建議或法規(guī)都將共模(縱向)浪涌要求界定為最低抗擾度級(jí)別。這些共模事件可以轉(zhuǎn)換成差分(金屬)事件。因此，有些標(biāo)準(zhǔn)、建議和法規(guī)還可以定義差分浪涌要求抗擾度級(jí)別。GR-1089-Issue 6,2 IEC 61000-4-5和ITU K20/21對(duì)波形的產(chǎn)生和測(cè)試過(guò)程有所介紹。

圖1顯示了這兩種案例的測(cè)試裝置。在差分模式下，兩個(gè)導(dǎo)體或引腳(即J1和J2)連接在測(cè)試設(shè)備的正負(fù)兩端，因此在RJ-45端口處插入的浪涌事件僅出現(xiàn)在這兩個(gè)導(dǎo)體之間。大部分能量都在圖2所示的線路側(cè)保護(hù)裝置TVS1(x2)中耗費(fèi)。不過(guò)，有些能量也會(huì)通過(guò)變壓器耦合，在變壓器的驅(qū)動(dòng)器側(cè)產(chǎn)生共?；虿罘质录?。

圖1：在差分測(cè)試中，兩個(gè)導(dǎo)體或引腳連接測(cè)試設(shè)備的正負(fù)兩端。

對(duì)于共模測(cè)試而言，單個(gè)導(dǎo)體或數(shù)據(jù)線路本身將會(huì)相對(duì)于地進(jìn)行測(cè)試。波形發(fā)生器輸出將被連接到所有的導(dǎo)體或引腳(J1、J2、J3和J6)，其地參考將連接至PCB地參考。請(qǐng)務(wù)必注意這可能并不是與PHY GND相同的參考點(diǎn)，而取決于應(yīng)用程序的具體設(shè)計(jì)。

很多情況下，PHY GND與PCB的模擬地都是隔離的。這是使用耦合變壓器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，變壓器上應(yīng)只耦合很少的能量。不過(guò)由于繞組間電容的影響，TVS1與變壓器相結(jié)合不會(huì)阻止所有的能量傳送至PHY端。這些能量將通過(guò)變壓器的磁性元件經(jīng)由電容耦合到其驅(qū)動(dòng)器側(cè)，這些能量可能會(huì)在以太網(wǎng)PHY出現(xiàn)共?；虿罘质录?或者兩者同時(shí)出現(xiàn))時(shí)產(chǎn)生。

為符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的隔離要求，圖2中的線路側(cè)保護(hù)器件TVS1可能不會(huì)將其接地引腳(2、3、6和7)接地。盡管根據(jù)IEEE 802.3對(duì)UL-60950-1的引用，這種接地連接可被允許。如圖2所示，TVS2始終將其I/O引腳連接至差分對(duì)。

圖2：在兩個(gè)引腳之間的RJ-45端口處出現(xiàn)浪涌事件時(shí)，大部分能量在線路端保護(hù)裝置中耗散，而部分能量則通過(guò)變壓器在變壓器驅(qū)動(dòng)器側(cè)產(chǎn)生共模或差分事件。

不過(guò)，與線路側(cè)保護(hù)器件不同的是，該器件將其接地引腳連接至局部地平面，并將其參考引腳連接至PHY VCC(Littelfuse公司建議使用這種配置)。如果未連接接地引腳的話，TVS2就會(huì)僅成為差分保護(hù)器件，并會(huì)潛在地允許具有破壞性的共模事件通過(guò)未箝制的PHY。

靜電放電

靜電放電(ESD)是小電路走線和器件的常見(jiàn)威脅。靜電放電是由人體的靜電電荷傳輸?shù)诫娐匪鸬?，瞬態(tài)電壓峰值高達(dá)15kV并不常見(jiàn)。在不太嚴(yán)重的情況下，ESD可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的電路操作或者之后將發(fā)展成徹底故障的潛在缺陷。

ESD抑制器必須具有極快的響應(yīng)時(shí)間，頻繁地處理持續(xù)時(shí)間較短的高峰值電壓和電流。TVS二極管陣列是箝位器件，可將瞬態(tài)電壓限制在設(shè)定值。TVS的低動(dòng)態(tài)電阻使其能夠在超出其箝位閾值時(shí)，將這些高壓ESD事件箝制在極低的電平(想想I×R)。一旦瞬態(tài)電壓降到TVS器件的反向斷態(tài)電壓以下，TVS器件就將停止傳導(dǎo)。

根據(jù)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行抗ESD測(cè)試的設(shè)備將通過(guò)接觸和空氣放電來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試中注入ESD的方法非常之多，比如IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)中給出的一些方法。但是在任何情況下，ESD脈沖都是以RJ-45連接器線路側(cè)的共模事件出現(xiàn)，因?yàn)榇朔烹娛录缘貫閰⒖?。保護(hù)器件被連接在一起，并根據(jù)上文討論的共模事件進(jìn)行測(cè)試。

電快速瞬變

根據(jù)IEC61000-4-4，進(jìn)行抗EFT測(cè)試的設(shè)備與進(jìn)行共模雷擊浪涌的測(cè)試非常相似。在圖3所示的較典型的配置中，所有的導(dǎo)體(或引腳)都連接至測(cè)試發(fā)生器的正極端，并相對(duì)GND產(chǎn)生浪涌。

圖3：在電快速瞬變(EFT)測(cè)試的典型配置中，所有的導(dǎo)體/引腳都連接至測(cè)試發(fā)生器的正極端。施加的浪涌是以地為參考施加的。

若不是在以太網(wǎng)供電(PoE)應(yīng)用中，就不需要使用耦合電容器，在以太網(wǎng)供電應(yīng)用中，33nF的電容值應(yīng)該就已足夠。如果數(shù)據(jù)線路具有良好均衡，那么雙絞線對(duì)之間就只有很少的差分能量或者不存在差分能量。不過(guò)，變壓器的耦合電容還是會(huì)將共模能量傳送到驅(qū)動(dòng)器端，盡管能量有所減少。

電纜放電事件

電纜放電事件(CDE)在產(chǎn)生方式和波形特性方面都不同于ESD。CDE事件一般是在PVC包覆的CAT5非屏蔽雙絞線(UTP)電纜拉在尼龍地毯或者瓷磚地板上時(shí)發(fā)生的，因?yàn)檫@種地板會(huì)導(dǎo)致電荷在電纜上逐漸聚集。同樣，通過(guò)導(dǎo)管或者其他網(wǎng)絡(luò)電纜鋪設(shè)時(shí)，電荷也會(huì)在電纜上聚集。雙絞線電纜由于儲(chǔ)存了電荷，因此就像電容一樣。

不過(guò)，只有當(dāng)電纜無(wú)終端，并且電荷不會(huì)立即耗散時(shí)(即電纜的兩端未插入系統(tǒng))，電荷才會(huì)逐漸聚集在一起。新型CAT5和CAT6電纜的介電泄漏極低，往往可以將電荷保持很長(zhǎng)一段時(shí)間。在相對(duì)濕度較低的環(huán)境中，電荷保持時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。

當(dāng)帶電的UTP電纜插入RJ-45網(wǎng)絡(luò)端口時(shí)，將有很多可能的放電通路。這種瞬態(tài)電流會(huì)選擇電感最低的通路，可能是位于穿過(guò)Bob Smith交流終端或者硅器件的變壓器中的兩條PCB走線之間的RJ-45連接器。這樣，以太網(wǎng)收發(fā)器或者上述提到的任何器件都會(huì)受損。

電荷量取決于電纜的長(zhǎng)度(圖4)。研究表明，無(wú)終端的雙絞線電纜可以累積高達(dá)幾千伏的電荷。對(duì)于電纜長(zhǎng)度超過(guò)60m的系統(tǒng)，應(yīng)采取額外的CDE預(yù)防措施。

圖4：不同長(zhǎng)度的CAT5以太網(wǎng)電纜的電壓主要是由于靜電電荷隨時(shí)間的積累而形成。本圖顯示了長(zhǎng)度從10m至110m的電纜的特性曲線。

CDE波形并不像上文所述的任何一種其他的威脅。根據(jù)耦合機(jī)制的不同，CDE可以是差分的，也可以是共模的。雖然它可能有很大變化，不過(guò)其一般特性是具有表現(xiàn)電壓和電流驅(qū)動(dòng)的高能量。波形在數(shù)百納秒的時(shí)間內(nèi)展開(kāi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速極性翻轉(zhuǎn)(圖5)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，PHY的發(fā)送器受到損壞，無(wú)法發(fā)射網(wǎng)絡(luò)上的封包。

圖5：圖示顯示了在25ft雙絞線被充電至1.5kV后，以太網(wǎng)PHY的發(fā)送器引腳處的破壞性CDE波形。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以按照上文所述，通過(guò)理想的布局實(shí)踐(器件爬電距離和走線間隙)來(lái)最大限度地防止CDE。TVS二極管陣列有助于將IC和其他敏感器件中的能量轉(zhuǎn)移。變壓器電路還有助于防止出現(xiàn)共模瞬變。

需要記住的是，IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)主張，2.25kVdc和1.5kVac的隔離電壓可以防止由CDE產(chǎn)生的高壓導(dǎo)致的連接器故障。為了防止發(fā)生這些事件時(shí)形成電弧，這些隔離要求適用于RJ-45連接器和隔離變壓器。根據(jù)此IEEE 802.3文檔中對(duì)UL-60950-1的引用，任何接地保護(hù)都可以從隔離測(cè)試中去掉，不過(guò)任何浪涌測(cè)試都需要重新安裝這類接地保護(hù)。

在耦合變壓器和RJ-45連接器之間的TeleLink保險(xiǎn)絲(見(jiàn)圖2線路側(cè)保險(xiǎn)絲)，可以保護(hù)電路不出現(xiàn)過(guò)流浪涌。串火(power cross)事件和附近交流線路的浪涌耦合一般會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)這些浪涌。

保護(hù)器件的電路連接

TVS二極管陣列保護(hù)器件的大多數(shù)電路連接都在上文中雷擊引起的浪涌部分有所介紹，這部分重點(diǎn)介紹了耗散瞬態(tài)能量的接地技巧。I/O連接如圖2所示。

大多數(shù)TVS二極管陣列常見(jiàn)的剩余引腳一般都標(biāo)注為VCC。該引腳應(yīng)連接至以太網(wǎng)PHY電源軌(諸如5V、3.3V等)，如圖2中的驅(qū)動(dòng)器(PHY)側(cè)器件(TVS2)所示。請(qǐng)務(wù)必確保保護(hù)器件的斷態(tài)電壓或VRWM高于供電電壓，以防止保護(hù)的穩(wěn)態(tài)激活。

TVS二極管陣列采用多種半導(dǎo)體技術(shù)，從而使其能夠提供兩種保護(hù)(圖6)。第一，它們通過(guò)二極管吸收瞬態(tài)電壓，使電流繞開(kāi)受保護(hù)的電路或器件。第二，雪崩或齊納二極管將電壓箝制至安全電平。

圖6：以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器(PHY)側(cè)TVS二極管陣列的內(nèi)部連接顯示了瞬變通路，通過(guò)雪崩二極管或齊納二極管將瞬態(tài)電壓從敏感電路中轉(zhuǎn)移，并箝制到安全電平。

TVS二極管陣列在特定的浪涌電流波形測(cè)試中具有一個(gè)箝位電壓。該箝位電壓必須足夠低，以保護(hù)以太網(wǎng)PHY，但也不能過(guò)低，否則會(huì)干擾正常的穩(wěn)態(tài)信令。

通過(guò)將這類器件的VCC引腳連接至電源，TVS二極管陣列將由于電源和旁路電容提供的額外電流通路實(shí)現(xiàn)較低的箝位電壓(參見(jiàn)圖6中的紅線)。它可以看作是一個(gè)電阻分壓器，在這種電阻分壓器中，瞬態(tài)電壓進(jìn)入控向二極管，并產(chǎn)生兩條通路：一條通過(guò)內(nèi)部TVS接地，一條通過(guò)旁路電容和電源接地。

結(jié)果表明，將VCC引腳連接至電源會(huì)實(shí)現(xiàn)更好的箝位性能，從而根據(jù)旁路電容的正確布局，為以太網(wǎng)PHY提供更好的總體保護(hù)。如果沒(méi)有正確選擇和放置此旁路電容，那么連接至電源軌將會(huì)引起瞬變損壞。

還應(yīng)注意的是，某些二極管陣列具有展現(xiàn)回跳特性的內(nèi)部TVS二極管，因此如果電源連接至外部，就可能受到損壞。在這種情況下，TVS二極管陣列的VCC引腳不應(yīng)連接。

為VCC引腳加偏壓的另一個(gè)好處是，它能夠降低從I/O到GND的電容，而不是讓它浮置或是斷開(kāi)連接。這對(duì)于防止信號(hào)加載和互調(diào)失真來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，特別是在吉比特以太網(wǎng)電路中。設(shè)計(jì)人員應(yīng)參考用來(lái)保護(hù)以太網(wǎng)PHY的具體器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，以便了解該電容的值，該值部分取決于VCC偏壓電平。

器件選型參數(shù)

除了低電容之外，選擇以太網(wǎng)保護(hù)器件時(shí)要考慮的另一個(gè)特性是動(dòng)態(tài)電阻(RDYN)或者TVS器件處于活動(dòng)或?qū)顟B(tài)時(shí)的有效硅電阻。RDYN應(yīng)該足夠低，以確保具有快速響應(yīng)時(shí)間和低箝位電壓，即低I×R和R×C因數(shù)。

需要評(píng)估的其他器件因素包括反向斷態(tài)電壓(VRWM)、峰值浪涌電壓、峰值浪涌電流定額(IPP)、ESD額定值、反向漏電流(IR)、箝位電壓(VC)和峰值脈沖功率定額(PPK)。下表列出了圖2中的保護(hù)裝置的典型參數(shù)值。

除了這些選擇標(biāo)準(zhǔn)之外，保護(hù)器件還必須適合電路板空間，并且能夠提供適合可用安裝和焊接設(shè)備的封裝配置。主要考慮因素是選擇一個(gè)能夠保護(hù)以太網(wǎng)電路板及其器件，并且能夠不出現(xiàn)故障地頻繁實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)的TVS二極管陣列。保護(hù)器件廠商會(huì)提供各種應(yīng)用支持，幫助您在選型時(shí)做出明智的決策。