- 雷擊浪涌
- 靜電放電 (ESD)
- 電快速瞬變 (EFT)
- 電纜放電事件 (CDE)
電路板設(shè)計人員經(jīng)常使用 TVS 二極管陣列以提供以太網(wǎng)端口保護。很多時候,設(shè)計師使用保護以保持設(shè)備可靠性,防止四個主要威脅:
雷擊浪涌沖擊(IEC61000-4-5,GR-1089,
國際電聯(lián))
ESD 或靜電放電 (IEC61000-4-2)
EFT 或電快速瞬變 (IEC61000-4-4)
CDE 或電纜放電事件
了解上面列出的事件的性質(zhì)和“方向性”,將有助于指導設(shè)計師如何最好地保護以太網(wǎng)端口,更重要的是,設(shè)備的引腳如何連接將影響系統(tǒng)的性能。下面章節(jié)中所提供的信息,將參考圖 1,以更好地說明一些要點。
了解威脅
雷擊浪涌
根據(jù)要遵守的標準或法規(guī),雷擊浪涌可以是異模或有不同波形的共模。異模中,正負測試設(shè)備終端之間通過兩根導線或引腳(即 J1 和 J2)連接,以使進入到 RJ-45 端口的電能量只出現(xiàn)在這兩個導體(見圖 2)之間。線路端保護設(shè)備,如這里列舉的 Littelfuse SP03A 系列,硅保護陣列,會吸收能量,但一些能量還會傳遞到變壓器,在變壓器驅(qū)動器端或如本例所示,在 Tx+ 和 Tx- 數(shù)據(jù)線路之間創(chuàng)建一個異模事件。
對于共模測試,將對個別導線或數(shù)據(jù)線自身進行 GND 測試。測試設(shè)備正端將連接到所有的導線或引腳(即 J1、J2、J3 和 J6),負端將連接到 GND(見圖 2)。在這種情況下,如果線路阻抗相近,SP03A 將吸收很少的能量。變壓器的磁性將大部分的能量電容耦合到變壓器驅(qū)動器端,作為以太網(wǎng) PHY 一個共模事件出現(xiàn)。
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靜電放電 (ESD)
可通過接觸或空氣放電評估設(shè)備的 ESD 免疫力(根據(jù)IEC61000-4-2 標準)。有許多方法可注入 ESD,但在所有情況下,因為釋放能量到 GND,ESD 脈沖作為電路共模事件出現(xiàn)。
電快速瞬變 (EFT)
檢查設(shè)備的 EFT 免疫力(根據(jù) IEC61000-4-4 標準),與共模雷擊浪涌測試非常相似。在如圖 3 所示比較典型的配置中,所有的導體(或引腳)電容耦合到測試信號發(fā)生器的正極和“浪涌”到 GND。如果數(shù)據(jù)線幾乎沒有差別,線對之間很少有異模能量,但變壓器耦合電容會再次將共模能量以衰減的方式傳輸?shù)津?qū)動端。
電纜放電事件 (CDE)
CDE 是一種應有所區(qū)別的現(xiàn)象,應從靜電放電 (ESD) 方面單獨考慮。雙絞線電纜的特點及其環(huán)境知識,在了解 CDE方面發(fā)揮重要的作用。頻繁變化的電纜環(huán)境也加重了防止CDE 損害的難度。系統(tǒng)設(shè)計師可以通過良好布局做法和精心挑選組件最大限度地保護系統(tǒng)免受 CDE 危害。IEEE 802.3標準規(guī)定了 2250 VDC 和 1500VAC 隔離電壓 ,以防止 CDE所產(chǎn)生高壓造成的連接器故障。為了防止這些事件中的電弧,這些隔離要求適用于 RJ-45 接頭以及隔離變壓器。為了防止電介質(zhì)損壞和電路板打火,行單面印刷電路板和地面應該有足夠的爬電距離和走線間隙。實驗室測試表明,承受 2000V 瞬態(tài)電壓,F(xiàn)R4 電路板線間距應至少有 250 密
耳的距離。(來源:www.national.com)。UTP 電纜放電事件可高達幾千伏,可能有很大的破壞性。電荷的積累來自兩個主要來源:摩擦電(摩擦)效應和電磁感應效應。
這些影響可能來自在尼龍地毯拉動一根 PVC 覆蓋的 CAT5UTP 電纜,從而導致電纜電荷的聚集。以類似的方式,通過管道或通過其它網(wǎng)絡(luò)電纜拖動電纜,同樣會導致電荷在電纜上聚集。這種電荷聚集,類似于在地毯上摩擦腳。僅當電纜沒有連接,且沒有立刻釋放聚集的電荷(即電纜兩端未插入系統(tǒng)),才會發(fā)生電荷聚集。還有,必須保留了積累電荷,才可能造成實質(zhì)損害。較新的 CAT5 和 CAT6電纜絕緣性非常好,往往能很長時間保留聚集的電荷。環(huán)境相對濕度低,聚集電荷的保留時間會增加。將帶靜電的UTP 電纜插入到 RJ-45 網(wǎng)絡(luò)端口,有許多可能的放電路徑。這個瞬態(tài)電流使用最低的電感線路,這條線路可以在RJ-45 接口,兩個印刷電路板 (PCB) 之間,在變壓器上,通過 Bob Smith 交流端,或通過硅裝置。根據(jù)電纜的長度,所積累的電荷可以是一個典型的 ESD 模型放電的百倍。
隨之而來的高能量放電可能會損壞連接器,變壓器電路,或以太網(wǎng)收發(fā)器。雙絞線電纜表現(xiàn)像一個存儲電荷的電容器。有研究證明,未連接到終端的雙絞線電纜可能會積累幾百伏的電荷。此外,在一個小時內(nèi),完全放電的電纜可以積累其所能積累總電荷的一半。一旦有了靜電,高品質(zhì)的電纜保留其所帶靜電的時間可以超過 24 小時。下面圖 4展示了不同長度的 CAT5 電纜積累靜電如何隨著時間而變化。由于較長的電纜有容量來存儲更多的電荷,電纜長度超過 60m 的系統(tǒng)應采取額外的 CDE 預防措施。
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另一個要了解的重要因素是 CDE 波形,因為它不像以前討論的任何威脅,取決于耦合機制,要么是異模,要么是共模。此外,初步研究顯示,它在特點上有很大差異,但總體上看,CDE 的波形能量高,體現(xiàn)在電壓和電流驅(qū)動上。波形傳播的時間為幾百納秒,能夠快速反轉(zhuǎn)極性。下面的圖 5,給出了破壞性 CDE 波形的例子,在一個以太網(wǎng) PHY 發(fā)射器引腳,一個 25 英尺雙絞線電纜靜電電壓達 1.5KV。在該事件發(fā)生超過 600ns 時間的期間,在異模波形上看到有 64.8V 從正電壓轉(zhuǎn)換為負電壓。在這個實驗中,PHY 的發(fā)射器被破壞,無法在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)包。
從電路板級設(shè)計師的角度來看,設(shè)計和制造以太網(wǎng)系統(tǒng)應注意 CDE,首要重點放在讓靜電遠離 IC 器件方面。系統(tǒng)設(shè)計考慮包括添加 TVS 二極管陣列和耦合變壓器本身。變壓器電路將有助于防止共模瞬變,但高能量瞬變應該接地。
最佳的設(shè)備配置
任何線路端保護裝置(這個例子中的 SP03A)不能有 GND引腳(2、3、6 和 7)連接到 GND,以保證符合 IEEE802.3隔離標準;因此,設(shè)計師沒有選擇,只能將此設(shè)備作為“異模”保護器。(注:當然,這使得驅(qū)動端保護元件成為必要,以保護系統(tǒng)免受共模事件損壞。)
保護 PHY 或驅(qū)動端的設(shè)備總有 I/O 引腳連接到異模線對,如圖 1 所示。然而,不同于線路端保護,這種設(shè)備可以將其 GND 引腳連接到本地 GND 平面,Littelfuse 建議使用這種配置。如果沒有連接 GND 引腳,則保護裝置(這個例子中的 SP3050)將成為一個僅異模保護器,并可能允許損害共模事件通過松開的 PHY。此外,應該指出,即使連接GND 引腳,該設(shè)備將仍然防止異模事件,一旦電壓差超過內(nèi)部 TVS 加雙二極管的電壓降的損壞值(使用 SP3050 示例)。
至于常用 TVS 二極管陣列、5 針、VCC 的中其余引腳,Littelfuse 還建議,這應連接到本地電源,如 5V,3.3V等(注:應當心,以確保保護裝置或 VRWM 的對峙電壓遠高于電源電壓,以防止激活或打開內(nèi)部 TVS 二極管。)
通過連接 SP3050的 VCC 引腳,由于電氣瞬態(tài)兩個獨立的放電路徑,如下(圖 6)紅色所示,設(shè)計者將更好進行夾緊設(shè)計。可以簡單地將它看作一個電阻分壓器,其中瞬態(tài)電流通過導向二極管,并選擇了兩條路,一個通過內(nèi)部 TVS到 GND,一個通過電源或外部旁路電容到 GND??偠灾?,第 5 腳連接到電源,將導致更好的夾緊性能,給以太網(wǎng) PHY 提供更好的整體保護。
結(jié)論
使用 TVS 二極管陣列保護以太網(wǎng)端口時,設(shè)計者應該始終警惕需要防范的威脅。大多數(shù)情況下,威脅是異模和共模事件的結(jié)合,保護裝置正確連接時,可以有效地夾緊。線路端保護元件僅局限于異模保護,但驅(qū)動程序或 PHY 端保護裝置應連接到 GND 和本地電源。這將提供最好的夾緊性能,并最大限度提高以太網(wǎng)端口的可靠性。