以太网电气威胁的保护设计

1万 · 2012-11-19 17:31

电路板设计人员通常使用TVS二极管阵列来为以太网端口提供保护。在许多情况下，设计人员为了保持设备的可靠性，主要针对四种主要威胁而采取保护：雷电感应浪涌(IEC 61000-4-5，GR-1089，ITU)；ESD，即静电放电(IEC 61000-4-2)；EFT，即电气快速瞬变(IEC 61000-4-4)；CDE，即电缆放电事件。了解以上所列事件的性质和“方向性”，将有助于指导设计人员对以太网端口进行最佳保护，更重要的是，了解器件的引脚连接将如何影响系统性能。以下小节中提供的信息会参考到图1，以更好地说明一些要点。

图1：使用TVS二极管阵列为以太网介面提供二阶段式防雷保护。

了解威胁 雷电感应浪涌：根据所遵循的标准或者规则，雷击浪涌可以是差模或是具有不同波形的共模。在差模中，测试设备的正极端子和负极端子之间连接着两个导体或引脚(即J1和J2)，因此在RJ-45端口上进入的能量只在这两个导体之间出现(见图2)。该能量将在线路侧的保护器件(这里显示的是Littelfuse公司的SP03系列硅保护阵列)上消散，但部分能量也会传递到变压器，在变压器的驱动端上或如该例所示的Tx+和Tx-数据线之间造成差分事件。

图2：以太网介面的差模和共模测试设置(仅用于快速以太网)。

对于共模测试，个别导体或数据线自身将对GND进行测试。测试设备的正极端将连接到所有的导体或引脚(即J1、J2、J3和J6)，负极端连接到GND(见图2)。在这种情况下，假设线路阻抗紧密匹配，在SP03器件上消散的能量将非常地少。大部分能量将通过变压器的磁性材料电容性耦合至变压器的驱动端，变为以太网PHY的共模事件。静电放电(ESD)：评估设备的ESD抗扰性(按照IEC 61000-4-2标准)可以通过接触或空气放电进行。注入ESD有多种方法，但是在所有情况下，由于释放的能量关系到GND，ESD脉冲在电路上是以共模事件出现的。电气快速瞬变(EFT)：检查设备的EFT抗扰性(按照IEC 61000-4-4标准)与对共模雷击浪涌所做的测试非常相似。在图3所示的比较典型的配置中，所有导体(或引脚)均电容性耦合至测试发生器的正极端，且对于GND显示“激增”。如果数据线均衡良好，在组对之间将不会有差分能量，但是变压器的耦合电容会再次将共模能量转移到驱动端，即使是以较低的水平。

图3：以太网介面的典型EFT测试设置(仅用于快速以太网)。

1万 · 2012-11-19 17:32

电缆放电事件(CDE)

电缆放电事件(CDE)：CDE是一种应该与静电放电(ESD)加以区分并作单独考虑的现象。双绞电缆的特点和其环境的知识在了解CDE上起着重要的作用。频繁变化的电缆环境还增加了在防止CDE损害上的挑战。系统设计人员通过良好的布局做法和精心的元件选择可以最大限度地进行CDE保护。IEEE 802.3标准规定了2250VDC和1500VAC的隔离电压，以防止可能由源自CDE事件的高电压导致的连接器故障。为了防止这些事件中的电弧作用，这些隔离要求适用于RJ-45连接器以及隔离变压器。为了防止电路板上的介电故障和火花产生，线路侧印刷电路板和地面应该在走线之间有足够的爬电距离和间隙。实验室测试结果显示，要承受2000V的瞬态电压，FR4电路板迹线间距应该有至少250mil的分隔距离。UTP电缆放电事件所产生的电压可高达几千伏，并具有极大的破坏性。电荷累积主要源自于两方面：摩擦电(摩擦)效应和电磁感应效应。

在尼龙地毯上拉一条PVC包覆的CAT5 UTP电缆，会导致在电缆上的电荷积聚，从而产生这些效应。同样，在从导线管拉出电缆或在其他网络电缆上拖拉电缆时也会产生电荷积聚。这种电荷积聚与脚擦过地毯时类似。电荷积聚仅当电缆未连接以及电荷未能得到及时耗散时发生(即电缆的两端都没有插入系统)。此外，要造成实质性损害，累积的电荷还需要得到保存。新的CAT5和CAT6电缆具有非常低的介电泄漏，且倾向于长时间留存电荷。在相对湿度较低的环境下，电荷留存时间会增加。当带电的UTP电缆插入到RJ-45网络端口时，有多种可能的放电路径。瞬态电流流经的是最低电感路径。这条路径可能是在RJ-45连接器上、在印刷电路板(PCB)的两个迹线之间、在变压器中，或是穿过鲍勃史密斯AC终端或者穿过硅器件。取决于电缆的长度，累积的电荷可能是一个典型ESD模型电荷的几百倍。

这种紧接着发生的高能量放电可能会损坏连接器、变压器电路或者以太网收发器。双绞线电缆的作用相当于一个存储电荷的电容。有研究表明，在未连接的双绞电缆上会积聚数百伏的电荷。此外，一根完全放电的电缆可以在一个小时内积聚一半的潜在电荷。一旦带有电荷，优质的电缆对大部分电荷的留存时间将超过24小时。图4中说明了不同长度的CAT5电缆随时间变化的电荷积聚情况。由于较长的电缆具有存储更多电荷的能力，对于具有超过60米长度电缆的系统应当采取额外的CDE防范措施。

图4：不同长度的CAT5电缆随时间变化的电荷积聚情况。

另一个需要了解的因素是CDE波形。由于它不同于前面所论述的任何一种威胁，根据耦合机制的不同，它可以是差模的也可以是共模的。此外，经初步研究表明，它具有大幅度变化的特点，但总体而言，CDE波形具有高能量且同时显示了电压和电流驱动。这种波形在几百纳秒的时间内散布，带有快速的极性倒转。

图5显示的是一个破坏性CDE波形的例子。它在25英尺双绞电缆被充电至1.5kV后，出现在以太网PHY的发送器引脚上。随着事件期间600ns时间的推移，在差分波形上可以看到从正电压到负电压有64.8V的变化。在这个试验中，该PHY的发射器被破坏，无法在网络上传输数据包。

图5：在25英尺双绞电缆被充电至1.5千伏后, 在以太网PHY中显示多种CDE放电波形。

从板级设计人员的角度来看，以太网系统的设计和布局应关注CDE，并将首要重点放在从IC器件上分流能量。系统设计考虑包括添加TVS二极管阵列和耦合变压器本身。变压器电路将有助于防止共模瞬变，但高能量瞬变应具有一个接地路径。