電路板設(shè)計以太網(wǎng)端口的四種電氣威脅及措施

作者：Chad Marak、Phillip Havens，Littelfuse公司

電路板設(shè)計人員通常使用TVS二極管陣列來為以太網(wǎng)端口提供保護。 在許多情況下，設(shè)計人員為了保持設(shè)備的可靠性，主要針對四種主要的威脅而采取保護：雷電感應(yīng)浪涌、ESD（即靜電放電）、EFT（即電氣快速瞬變）和CDE（即電纜放電事件）。了解這些事件的性質(zhì)和“方向性”，將有助于指導(dǎo)設(shè)計人員如何最好地對以太網(wǎng)端口進行保護、更重要的是，器件的引腳連接將如何影響系統(tǒng)的性能。 后面提到的信息會參考到圖1，以更好地說明一些要點。

圖1：使用TVS二極管陣列為以太網(wǎng)介面提供二階段式防雷保護。

雷電感應(yīng)浪涌

根據(jù)所遵循的標準或規(guī)則，雷擊浪涌可以是差?；蚴蔷哂胁煌ㄐ蔚墓材！Ｔ诓钅Ｖ?，測試設(shè)備的正極端子和負極端子之間連接著兩個導(dǎo)體或引腳（即J1和J2），因此在RJ-45端口上進入的能量只在這兩個導(dǎo)體之間出現(xiàn)（見圖2）。該能量將在線路側(cè)的保護器件（這里顯示的是Littelfuse的SP03系列硅保護陣列）上消散，但部分能量也會傳遞到變壓器，在變壓器的驅(qū)動端上、或如這個例子所示的Tx+和Tx-數(shù)據(jù)線之間造成差模事件。

對于共模測試，個別導(dǎo)體或數(shù)據(jù)線自身將就GND進行測試。測試設(shè)備的正極端將連接到所有導(dǎo)體或引腳（即J1、J2、J3和J6），負極端連接到GND（見圖2）。在這種情況下，假設(shè)線路阻抗緊密匹配，在SP03器件上消散的能量將是非常少量的。大部分的能量將通過變壓器的磁性材料而電容性耦合至變壓器的驅(qū)動端，變?yōu)橐蕴W(wǎng)PHY的共模事件。

圖2：以太網(wǎng)介面的差模和共模測試設(shè)置（僅用于快速以太網(wǎng)）。

靜電放電（ESD）

評估設(shè)備的ESD抗擾性（按照IEC 61000-4-2標準）可以通過接觸或空氣放電進行。注入ESD有多種方法，但是在所有情況下，由于釋放的能量關(guān)系到GND，ESD脈沖在電路上是以共模事件出現(xiàn)的。

電氣快速瞬變（EFT）

檢查設(shè)備的EFT抗擾性（按照IEC 61000-4-4標準）與對共模雷擊浪涌所做的測試非常相似。在圖3所示的比較典型的配置中，所有導(dǎo)體（或引腳）均是電容性耦合至測試發(fā)生器的正極端，且對于GND顯示“激增”。如果數(shù)據(jù)線均衡良好，在組對之間將不會有差分能量，但是變壓器的耦合電容會再次將共模能量轉(zhuǎn)移到驅(qū)動端，即使是以較低的水平。

電纜放電事件（CDE）

CDE是一種應(yīng)該與靜電放電（ESD）加以區(qū)分、并作單獨考慮的現(xiàn)象。雙絞電纜的特點和其環(huán)境的知識在了解CDE上起著重要的作用。頻繁變化的電纜環(huán)境還增加了在防止CDE損害上的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計人員通過良好的布局做法和精心的元件選擇可以最大限度地進行CDE保護。IEE E 802.3標準規(guī)定了2250 VDC和1500 VAC的隔離電壓，以防止可能由產(chǎn)生自CDE事件的高電壓導(dǎo)致的連接器故障。為了防止在這些事件中的電弧作用，這些隔離要求適用于RJ-45連接器，以及隔離變壓器。為了防止電路板上的介電故障和火花產(chǎn)生，線路側(cè)印刷電路板和地面應(yīng)該在走線之間有足夠的爬電距離和間隙。實驗室測試結(jié)果顯示，要承受2000V的瞬態(tài)電壓，F(xiàn)R4電路板跡線間距應(yīng)該有至少250密爾的分隔距離。UTP電纜放電事件所產(chǎn)生的電壓可高達幾千伏，并具有極大的破壞性。電荷累積主要源自于兩方面：摩擦電（摩擦）效應(yīng)和電磁感應(yīng)效應(yīng)。

圖3：以太網(wǎng)介面的典型EFT測試設(shè)置（僅用于快速以太網(wǎng)）。

在尼龍地毯上拉一條PVC包覆的CAT5 UTP電纜，會導(dǎo)致在電纜上的電荷積聚，從而產(chǎn)生這些效應(yīng)。同樣，在從導(dǎo)線管拉出電纜或在其他網(wǎng)絡(luò)電纜上拖拉電纜時也會產(chǎn)生電荷積聚。這種電荷積聚與腳擦過地毯的類似。電荷積聚僅當(dāng)電纜未連接以及電荷未能得到及時耗散時發(fā)生（即電纜的兩端都沒有插入系統(tǒng)）。此外，要造成實質(zhì)性損害，累積的電荷還需要得到保存。新的CAT5和CAT6電纜具有非常低的介電泄漏，且傾向于長時間留存電荷。在相對濕度低的環(huán)境下，電荷留存時間會增加。當(dāng)帶電的UTP電纜插入到RJ-45網(wǎng)絡(luò)端口時，有多種可能的放電路徑。瞬態(tài)電流經(jīng)由的是最低電感路徑，這條路徑可能是在RJ-45連接器上、印刷電路板（PCB）的兩個跡線之間、變壓器中、通過鮑勃史密斯AC終端、或通過硅器件。取決于電纜的長度，累積的電荷可能是一個典型ESD模型電荷的幾百倍。

這種緊接著發(fā)生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。雙絞線電纜的作用相當(dāng)于一個存儲電荷的電容。有研究表明，在未連接的雙絞電纜上會積聚數(shù)百伏的電荷。此外，一根完全放電的電纜可以在一小時內(nèi)積聚一半的潛在電荷。一旦帶有電荷，優(yōu)質(zhì)的電纜對大部分電荷的留存時間超過24小時。下圖4中說明了不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況。由于較長的電纜具有存儲更多電荷的能力，因此對于具有超過60米長度電纜的系統(tǒng)應(yīng)采取額外的CDE防范措施。

圖4：不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況。

另一個需要了解的因素是CDE波形，因為其不同于前面所論述的任何一種威脅，根據(jù)耦合機制的不同，它可以是差模的也可以是共模的。此外，初步研究表明，其具有大幅度變化的特點，但總體而言，CDE波形具有高能量且同時顯示電壓和電流驅(qū)動。這種波形在幾百納秒的時間內(nèi)散布，帶有快速的極性倒轉(zhuǎn)。

下面的圖5顯示的是一個破壞性CDE波形的例子，它在25英尺雙絞電纜被充電至1.5千伏之后出現(xiàn)在以太網(wǎng)PHY的發(fā)送器引腳上。隨著事件期間600納秒時間的推移，在差分波形上可以看到從正電壓到負電壓有64.8伏的變化。在這個試驗中，該PHY的發(fā)射器被破壞，無法在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)包。

從板級設(shè)計人員的角度來看，以太網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計和布局應(yīng)關(guān)注CDE，并將首要重點放在從IC器件上分流能量。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(yīng)具有一個接地路徑。

圖5：在25英尺雙絞電纜被充電至1.5千伏后， 在以太網(wǎng)PHY中顯示多種CDE放電波形。

任何線路側(cè)保護器件（在這個例子中為SP03）的GND引腳（2，3，6和7）不能連接至GND，以符合IEE802.3標準對于隔離的要求；因此，設(shè)計人員別無他法，只能將該器件作為一種“僅為差模”的保護器。（注：當(dāng)然，這必須滿足對驅(qū)動端保護元件的需求，以防止共模事件。）

保護PHY或者驅(qū)動端的器件的I/O引腳始終連接至差分線對，如圖1所示。然而，不同于線路側(cè)保護器，這種器件的GND引腳可以被連接至本地GND平面，且Littelfuse建議采用這種配置。如果GND引腳沒有被連接，那么保護器件（在這個例子中為SP3050）將會成為一種僅為差模的保護器，且可能會使破壞性共模事件通過未鉗制的PHY。此外，應(yīng)該注意，即使GND引腳已連接，一旦電壓差超過內(nèi)部TVS擊穿電壓加上兩個二極管的電壓降，該器件將仍然會保護防止差模事件。

至于在大多TVS二極管陣列中常見的剩下的這個引腳，引腳5，Vcc，Littelfuse還建議將其連接至本地電源，如5伏、3.3V電源。（注意：應(yīng)該確保保護器件的對峙電壓（VRWM）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器件的Vcc引腳，由于電氣瞬變將會經(jīng)由的兩條獨立的放電路徑（如圖6中紅色所示），設(shè)計人員將可獲得更好的整體鉗位。它可以簡單地被認為是一個電阻分壓器，瞬變通過控向二極管進入，并經(jīng)由兩條路徑：一條由內(nèi)部TVS至GND，另一條通過電源或一個外部旁路電容至GND?？偠灾?，將引腳5連接至電源會帶來更好的鉗位性能，為以太網(wǎng)PHY提供更好的整體保護。

圖6：電流進入TVS二極管陣列和引腳以帶來最佳化的鉗位性能。

偏置這個Vcc引腳的另一個好處是其可以降低從I/O到GND的電容，這與使其保持浮動或不進行連接是完全不同的。應(yīng)該參考用于保護以太網(wǎng)PHY的特定器件的數(shù)據(jù)手冊，以為設(shè)計人員提供這個將部分依賴于Vcc偏置電平的電容。下面的圖7是SP3050的圖示，僅供參考。

圖7：TVS二極管陣列電容與偏壓。

結(jié)論

在使用TVS二極管陣列來進行以太網(wǎng)端口保護時，設(shè)計人員應(yīng)始終對其試圖防止的威脅保持警惕。在大多數(shù)情況下，這些威脅是差模事件和共模事件的組合，當(dāng)保護器件正確連接時，這些事件都能得到有效鉗制。

線路側(cè)保護元件僅限于差模事件保護，但是驅(qū)動端或PHY側(cè)保護器件應(yīng)被連接至GND以及本地電源。這將能提供最好的鉗位性能，并最大限度地提高以太網(wǎng)端口的可靠性。

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