以太網(wǎng)端口保護需要智能化策略

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)計實踐還需要過壓和過流保護器件。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器件，即線路(RJ-45)側(cè)和驅(qū)動器(物理層或PHY)側(cè)。

以太網(wǎng)保護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，從用于單端口保護的單個器件到保護多條線路的多個器件。這些器件全部整合在一個封裝內(nèi)，從而最大限度降低了對電路板的空間要求。

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；必須對多條線路提供保護并且電路板空間有限時；由于各種威脅因素而出現(xiàn)瞬態(tài)電壓時。

必須為以下四種主要的過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)實際情況，它們應(yīng)盡可能靠近電氣威脅的進入點，同時將相同的地參考作為要保護的PHY。

威脅抑制可能需要考慮其他的設(shè)計因素，比如使用保險絲，將電源線旁路電容接地(靠近PHY電源輸入引腳)，以確保實現(xiàn)正常的電源濾波。應(yīng)根據(jù)IEC或其他相關(guān)標準對PCB原型進行測試，以驗證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，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。爬電距離是兩個導(dǎo)電部件之間或者一個導(dǎo)電部件與設(shè)備的邊界面之間沿絕緣體表面所測得的最短路徑。

足夠的爬電距離可以防止漏電起痕，該過程會在絕緣材料表面產(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指標提供了在標準測試時由于漏電起痕引起故障的電壓的數(shù)值。IEC 112標準給出了漏電起痕和CTI的全面說明。

電氣間隙是兩個導(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、工作環(huán)境的相對濕度、溫度和污染程度的影響。

板級設(shè)計人員經(jīng)常會在計算爬電距離和電氣間隙時考慮峰值工作電壓，不過還需要考慮電氣瞬態(tài)過程。有些瞬態(tài)電壓甚至高達幾千伏。

實驗室測試表明，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，對于標準以太網(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)保護的另一個重要原因：降低高壓使間距可以更小，即高壓會由于TVS二極管陣列的箝位作用而得到抑制。在UL 60950-1標準中，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)。不過這針對的是穩(wěn)態(tài)電壓，而不是針對發(fā)生浪涌時快速上升的dv/dt。因此，通過TVS保持走線之間的電勢差對于電路板布局來說至關(guān)重要。

了解瞬態(tài)事件的特性和極性有助于指導(dǎo)設(shè)計人員開發(fā)出最好的以太網(wǎng)端口保護方案。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器件。

雷擊引起的浪涌

大多數(shù)標準、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別。這些共模事件可以轉(zhuǎn)換成差分(金屬)事件。因此，有些標準、建議和法規(guī)還可以定義差分浪涌要求抗擾度級別。GR-1089-Issue 6,2 IEC 61000-4-5和ITU K20/21對波形的產(chǎn)生和測試過程有所介紹。

圖1顯示了這兩種案例的測試裝置。在差分模式下，兩個導(dǎo)體或引腳(即J1和J2)連接在測試設(shè)備的正負兩端，因此在RJ-45端口處插入的浪涌事件僅出現(xiàn)在這兩個導(dǎo)體之間。大部分能量都在圖2所示的線路側(cè)保護裝置TVS1(x2)中耗費。不過，有些能量也會通過變壓器耦合，在變壓器的驅(qū)動器側(cè)產(chǎn)生共?；虿罘质录?。

圖1：在差分測試中，兩個導(dǎo)體或引腳連接測試設(shè)備的正負兩端。

對于共模測試而言，單個導(dǎo)體或數(shù)據(jù)線路本身將會相對于地進行測試。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。請務(wù)必注意這可能并不是與PHY GND相同的參考點，而取決于應(yīng)用程序的具體設(shè)計。

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優(yōu)勢。在這種情況下，變壓器上應(yīng)只耦合很少的能量。不過由于繞組間電容的影響，TVS1與變壓器相結(jié)合不會阻止所有的能量傳送至PHY端。這些能量將通過變壓器的磁性元件經(jīng)由電容耦合到其驅(qū)動器側(cè)，這些能量可能會在以太網(wǎng)PHY出現(xiàn)共?；虿罘质录?或者兩者同時出現(xiàn))時產(chǎn)生。

為符合IEEE 802.3標準的隔離要求，圖2中的線路側(cè)保護器件TVS1可能不會將其接地引腳(2、3、6和7)接地。盡管根據(jù)IEEE 802.3對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。

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

不過，與線路側(cè)保護器件不同的是，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就會僅成為差分保護器件，并會潛在地允許具有破壞性的共模事件通過未箝制的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15kV并不常見。在不太嚴重的情況下，ESD可能會導(dǎo)致錯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)時間，頻繁地處理持續(xù)時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的低動態(tài)電阻使其能夠在超出其箝位閾值時，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標準，進行抗ESD測試的設(shè)備將通過接觸和空氣放電來進行測試。在測試中注入ESD的方法非常之多，比如IEC61000-4-2標準中給出的一些方法。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)，因為此放電事件以地為參考。保護器件被連接在一起，并根據(jù)上文討論的共模事件進行測試。

電快速瞬變

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

圖3：在電快速瞬變(EFT)測試的典型配置中，所有的導(dǎo)體/引腳都連接至測試發(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，那么雙絞線對之間就只有很少的差分能量或者不存在差分能量。不過，變壓器的耦合電容還是會將共模能量傳送到驅(qū)動器端，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發(fā)生的，因為這種地板會導(dǎo)致電荷在電纜上逐漸聚集。同樣，通過導(dǎo)管或者其他網(wǎng)絡(luò)電纜鋪設(shè)時，電荷也會在電纜上聚集。雙絞線電纜由于儲存了電荷，因此就像電容一樣。

不過，只有當(dāng)電纜無終端，并且電荷不會立即耗散時(即電纜的兩端未插入系統(tǒng))，電荷才會逐漸聚集在一起。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一段時間。在相對濕度較低的環(huán)境中，電荷保持時間會延長。

當(dāng)帶電的UTP電纜插入RJ-45網(wǎng)絡(luò)端口時，將有很多可能的放電通路。這種瞬態(tài)電流會選擇電感最低的通路，可能是位于穿過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受損。

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

圖4：不同長度的CAT5以太網(wǎng)電纜的電壓主要是由于靜電電荷隨時間的積累而形成。本圖顯示了長度從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，不過其一般特性是具有表現(xiàn)電壓和電流驅(qū)動的高能量。波形在數(shù)百納秒的時間內(nèi)展開，同時實現(xiàn)快速極性翻轉(zhuǎn)(圖5)。在這個實驗中，PHY的發(fā)送器受到損壞，無法發(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)計人員可以按照上文所述，通過理想的布局實踐(器件爬電距離和走線間隙)來最大限度地防止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標準主張，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UL-60950-1的引用，任何接地保護都可以從隔離測試中去掉，不過任何浪涌測試都需要重新安裝這類接地保護。

在耦合變壓器和RJ-45連接器之間的TeleLink保險絲(見圖2線路側(cè)保險絲)，可以保護電路不出現(xiàn)過流浪涌。串火(power cross)事件和附近交流線路的浪涌耦合一般會導(dǎo)致出現(xiàn)這些浪涌。

保護器件的電路連接

TVS二極管陣列保護器件的大多數(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二極管陣列常見的剩余引腳一般都標注為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)動器(PHY)側(cè)器件(TVS2)所示。請務(wù)必確保保護器件的斷態(tài)電壓或VRWM高于供電電壓，以防止保護的穩(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(圖6)。第一，它們通過二極管吸收瞬態(tài)電壓，使電流繞開受保護的電路或器件。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試中具有一個箝位電壓。該箝位電壓必須足夠低，以保護以太網(wǎng)PHY，但也不能過低，否則會干擾正常的穩(wěn)態(tài)信令。

通過將這類器件的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現(xiàn)較低的箝位電壓(參見圖6中的紅線)。它可以看作是一個電阻分壓器，在這種電阻分壓器中，瞬態(tài)電壓進入控向二極管，并產(chǎn)生兩條通路：一條通過內(nèi)部TVS接地，一條通過旁路電容和電源接地。

結(jié)果表明，將VCC引腳連接至電源會實現(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。如果沒有正確選擇和放置此旁路電容，那么連接至電源軌將會引起瞬變損壞。

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連接。這對于防止信號加載和互調(diào)失真來說至關(guān)重要，特別是在吉比特以太網(wǎng)電路中。設(shè)計人員應(yīng)參考用來保護以太網(wǎng)PHY的具體器件的數(shù)據(jù)手冊，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)保護器件時要考慮的另一個特性是動態(tài)電阻(RDYN)或者TVS器件處于活動或?qū)顟B(tài)時的有效硅電阻。RDYN應(yīng)該足夠低，以確保具有快速響應(yīng)時間和低箝位電壓，即低I×R和R×C因數(shù)。

需要評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中的保護裝置的典型參數(shù)值。

除了這些選擇標準之外，保護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能夠保護以太網(wǎng)電路板及其器件，并且能夠不出現(xiàn)故障地頻繁實現(xiàn)這種保護的TVS二極管陣列。保護器件廠商會提供各種應(yīng)用支持，幫助您在選型時做出明智的決策。