作者：Steven Keeping

　　投稿人：Digi-Key 北美編輯

　　千兆以太網 (GbE) 是一種強大的高速通信系統，廣泛用于家庭、商業和工業場所。然而，以太網系統確實存在挑戰，特別是當連接延伸到建筑物之外時。延長線路可能會受到意外的高電平瞬態電壓和電流的影響，靜電放電(ESD)是一種持續的風險。

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

　　瞬態電壓抑制 (TVS) 二極管是一種經過驗證、價格低廉且可靠的電路保護器件，適用于空間受限且成本受限的應用，例如 GbE。在正常操作下，設備顯示為透明。然而，這些器件必須保護多個通信通道免受高達 40 安培 (A) 的浪涌電流和高達 30 千伏 (kV) 的 ESD 的影響，并在正常使用中保持低負載電容，以確保高速信號完整性。

　　本文介紹了GbE高壓瞬變和ESD保護帶來的設計挑戰，然后考慮了能量抑制所需的TVS二極管的獨特特性。然后，本文介紹了該問題的一些商業解決方案，然后展示了如何將所選設備設計成符合IEC 61000-4-2、-4和-5等標準的瞬態保護系統。

　　瞬態電壓效應帶來的危險

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

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

　　GbE PHY 的設計包括通過隔離變壓器提供一定程度的保護。GbE 規范 (IEEE 802.3) 要求最小隔離額定值為 2.1 kV。大多數商用變壓器提供 4 至 8 kV 隔離。此外，GbE 接口通常包括一個共模扼流圈 (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。最后的保護程度來自“鮑勃·史密斯”終止。這使用一個 75 歐姆 (Ω) 電阻器來實現共模阻抗匹配，用于通過電容器共同連接到地的信號對。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瞬態電壓的內置保護，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 和端接電路進行全面保護是有風險的。雖然這些組件提供了一些瞬態電壓緩解，但有幾種情況會使端口受到損壞。

　　GbE瞬態電壓偏移本質上可分為共模或差模。在共模電壓瞬變期間，所有 GbE PHY 導體相對于接地瞬時上升到相同的電壓。由于所有導體都處于相同的電位，因此沒有電流從一個導體轉移到另一個導體。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：高瞬態電壓共模電流通過隔離變壓器中心抽頭流經 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的一條信號線上的 GbE 端口，然后流出另一條信號線上的端口。流過變壓器初級繞組的瞬態電流在次級繞組中感應出電流浪涌。一旦浪涌被消除，變壓器中存儲的能量將轉移到脆弱的GbE PHY所在的位置。正是這種轉移的能量充其量會導致數據丟失和毛刺，最壞的情況是導致永久性損壞(圖 4)。

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

　　圖4顯示，差模浪涌是最危險的，因為它會使GbE PHY暴露在潛在的破壞性電壓下。隔離變壓器的次級側需要額外的保護，以防止這些浪涌。

　　使用TVS二極管進行浪涌保護

　　保護 GbE PHY 需要能夠隔離、阻斷或抑制大瞬態能量脈沖的設備。額外的變壓器可以完全隔離以太網電子設備，但體積龐大且價格昂貴。保險絲是一種廉價的阻斷方法，但必須在每次跳閘事件后復位或更換。TVS二極管是一個很好的折衷方案;它們有效地將峰值瞬態電壓抑制到安全水平，不需要重置，結構緊湊，價格合理。

　　在結構上，TVS二極管是一個 p-n 專門設計具有大結橫截面積的器件，可吸收高瞬態電流和電壓。雖然TVS二極管的電壓/電流特性與齊納二極管相似，但這些器件設計用于電壓抑制而不是電壓調節。與其他抑制器件相比，TVS 二極管的一個關鍵優勢是其對電瞬變的快速響應(通常在納秒內)，將瞬態能量安全地轉移到地，同時保持恒定的“鉗位”電壓(圖 5)。

　　圖 5：TVS 二極管為高于閾值電平的瞬態電壓提供低阻抗接地路徑。因此，受保護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，電壓高達其工作電壓(VRWM).當設備端子兩端的電壓超過擊穿電壓(VBR)，雪崩擊穿發生在二極管的結點，導致其“回彈”或切換到低阻抗導通狀態。這會將電壓降低到鉗位水平(VC)作為瞬態峰值脈沖電流(I聚丙烯) 流經設備。受保護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斷狀態(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通狀態，并在瞬態峰值電流通過時將電壓降低到安全的鉗位水平。(圖片來源：Semtech)

　　表 1：圖 6 的參數定義。(表源：Semtech)

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

　　IEC 61000-4-5規定了如何測試浪涌抗擾度，提供了用于確定TVS二極管能力的典型浪涌波形的詳細信息。波形模擬間接雷擊，在8微秒(μs)內達到其峰值電流值(tp)的90%，并在20 μs內衰減到其峰值的50%。數據表通常將其稱為“8/20 μs波形”，并提供了波形最大峰值脈沖電流(I聚丙烯)，保護裝置可以承受。數據手冊通常還詳細說明了產品對1.2/50 μs間接雷擊引起的相關電壓浪涌波形的響應(瞬態浪涌在1.2 μs內達到峰值電壓，并在50 μs內衰減到峰值的50%)。

　　TVS二極管的另一個關鍵保護特性是其“ESD耐受電壓”。這是保護裝置可以承受的最大靜電放電電壓而不會損壞，通常為數十kV量級。

　　用于千兆以太網物理層保護的 TVS 二極管

　　除GbE外，TVS二極管還可用于保護各種接口，包括HDMI，USB Type-C，RS-485和DisplayPort。但是，這些接口中的每一個都需要微妙不同的保護級別。因此，TVS二極管必須針對特定應用進行設計。

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

　　例如，RailClamp 系列包括 RCLAMP0512TQTCT 適用于 2.5 GbE 接口保護。該設備具有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 時的鉗位電壓特性。在短暫的峰值之后，鉗位電壓穩定在 5 V 以下，從而保護 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系列中還有其他產品，可為在潛在更危險的情況下使用的1 GbE應用提供更大的保護。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 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，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 I聚丙烯 = 25 A。

　　TVS二極管保護設計

　　圖 8 顯示了使用 RCLAMP0512TQTCT 的 GbE PHY 保護方案。這些器件位于變壓器的PHY側，以防止差模浪涌，每個以太網線對上放置一個器件。以太網差分對通過引腳 1 和 2 的每個 TVS 二極管組件進行路由，引腳 3 未連接。

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

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

　　降低寄生電感對于抑制快速上升時間瞬變尤為重要。保護裝置路徑中的電感增加VC 受保護設備暴露在其上。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，上升時間為 1 納秒 (ns)。

　　請注意，所選的以太網變壓器需要承受預期的浪涌而不會出現故障。典型的以太網變壓器在發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證。或者，如果懷疑變壓器的浪涌抗擾度，可以將保護元件放置在變壓器的線路側。缺點是變壓器提供的額外保護會丟失，并且GbE系統承受高能量浪涌的能力僅限于保護器件的能力。

　　結論

　　GbE是一種可靠且廣泛的高速通信系統，但是由于雷電和ESD等現象，所有使用導體的系統都會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 PHY。建議對關鍵系統提供額外保護。

　　TVS二極管是一個不錯的選擇，因為它們有效地將峰值瞬態電壓抑制到安全水平，不需要復位，并且結構緊湊且價格適中。建議將保護元件與應用仔細匹配，因為它們具有廣泛的功能，包括峰值電流保護。此外，建議遵守良好的設計準則，例如位置和接地，以最大限度地保護給定的TVS二極管。