Как проектировать

Стивен Кипинг, Digikey

Gigabit Ethernet (GbE) — это надежная высокоскоростная система связи, широко используемая в жилых, коммерческих и промышленных помещениях. Однако системы Ethernet создают проблемы, особенно когда подключение выходит за пределы здания. Протяженные линии могут подвергаться неожиданно высоким переходным напряжениям и токам, а электростатические разряды (ESD) представляют собой постоянный риск.

Физический уровень GbE (PHY) включает в себя некоторые компоненты, обеспечивающие определенную степень защиты, например изолирующий трансформатор. Однако нельзя полагаться на то, что встроенная система подавления переходных напряжений обеспечит защиту при любых обстоятельствах.

Диоды подавления переходных напряжений (TVS) являются проверенным, недорогим и надежным устройством защиты цепей в приложениях с ограниченным пространством и стоимостью, таких как GbE. При нормальной работе устройства кажутся прозрачными. Тем не менее, устройства должны защищать несколько каналов связи от импульсных токов до 40 А (А) и электростатических разрядов до 30 киловольт (кВ), а также поддерживать низкую нагрузочную емкость при нормальном использовании для обеспечения целостности высокоскоростного сигнала.

В этой статье описываются проблемы проектирования, связанные с защитой от высоковольтных переходных процессов и электростатического разряда GbE, а затем рассматриваются уникальные характеристики TVS-диодов, необходимые для подавления энергии. Затем в статье описываются некоторые коммерческие решения проблемы, а затем показано, как спроектировать выбранные устройства в системы защиты от переходных процессов в соответствии со стандартами, такими как IEC 61000-4-2, -4 и -5.

GbE — проводная высокоскоростная система связи. Медные соединения передают дифференциальные сигналы, которые представляют собой «нули» и «единицы», составляющие поток цифровых сигналов. Однако этот медный провод также является идеальным механизмом передачи высоких переходных напряжений и электростатических разрядов, которые могут повредить элементы кремниевой схемы (рис. 1).

Конструкция GbE PHY включает некоторую степень защиты посредством изолирующего трансформатора. Спецификация GbE (IEEE 802.3) требует минимального уровня изоляции 2,1 кВ. Большинство коммерческих трансформаторов имеют изоляцию от 4 до 8 кВ. Кроме того, интерфейсы GbE обычно включают в себя синфазный дроссель (CMC), дроссель, используемый для блокировки высокочастотного переменного тока, чтобы помочь уменьшить выбросы электростатического разряда. Последней степенью защиты является прекращение полномочий «Боба Смита». При этом используется резистор сопротивлением 75 Ом (Ом) для реализации согласования синфазного импеданса для пар сигналов, совместно соединенных через конденсатор с землей. Оконечная нагрузка может помочь снизить синфазные излучения, которые обсуждаются позже (рис. 2).

Просто полагаться на изолирующий трансформатор GbE PHY, CMC и схему согласования для обеспечения комплексной защиты рискованно. Хотя компоненты обеспечивают некоторое снижение переходного напряжения, существует ряд обстоятельств, которые делают порт уязвимым для повреждения.

Переходные напряжения GbE по своему характеру можно разделить на общие и дифференциальные. Во время переходного процесса синфазного напряжения все проводники GbE PHY мгновенно повышаются до одинакового напряжения относительно земли. Поскольку все проводники имеют одинаковый потенциал, передача тока от одного проводника к другому не происходит. Вместо этого ток течет на землю. Обычный путь прохождения тока — через проводник на землю, через центральный отвод трансформатора и через схему согласования (рис. 3).

Всплеск дифференциального режима отличается. Ток течет в порт GbE на одной сигнальной линии дифференциальной пары, через трансформатор и обратно из порта на другой сигнальной линии. Переходный ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора, вызывает скачок тока во вторичной обмотке. Как только скачок напряжения будет устранен, накопленная в трансформаторе энергия перейдет туда, где находится хрупкий GbE PHY. Именно эта переданная энергия в лучшем случае приводит к потере данных и сбоям, а в худшем — к необратимому повреждению (рис. 4).

На рис. 4 показано, что выбросы в дифференциальном режиме являются наиболее опасными, поскольку именно они подвергают GbE PHY потенциально опасному напряжению. Для защиты от этих перенапряжений на вторичной стороне разделительного трансформатора необходима дополнительная защита.