作者：Steven Keeping

　　投稿人：Digi-Key 北美编辑

　　千兆以太网 (GbE) 是一种强大的高速通信系统，广泛用于家庭、商业和工业场所。然而，以太网系统确实存在挑战，特别是当连接延伸到建筑物之外时。延长线路可能会受到意外的高电平瞬态电压和电流的影响，静电放电(ESD)是一种持续的风险。

　　GbE 物理层 (PHY) 确实包括一些提供一定程度保护的组件，例如隔离变压器。但是，不能依靠内置的瞬态电压缓解功能在所有情况下提供保护。

　　瞬态电压抑制 (TVS) 二极管是一种经过验证、价格低廉且可靠的电路保护器件，适用于空间受限且成本受限的应用，例如 GbE。在正常操作下，设备显示为透明。然而，这些器件必须保护多个通信通道免受高达 40 安培 (A) 的浪涌电流和高达 30 千伏 (kV) 的 ESD 的影响，并在正常使用中保持低负载电容，以确保高速信号完整性。

　　本文介绍了GbE高压瞬变和ESD保护带来的设计挑战，然后考虑了能量抑制所需的TVS二极管的独特特性。然后，本文介绍了该问题的一些商业解决方案，然后展示了如何将所选设备设计成符合IEC 61000-4-2、-4和-5等标准的瞬态保护系统。

　　瞬态电压效应带来的危险

　　GbE 是一种有线高速通信系统。铜连接承载差分信号，代表构成数字信号流的“零”和“一”。然而，铜线也是高瞬态电压和ESD事件的完美传输机制，可能会损坏硅电路元件(图1)。

　　图 1：如果没有保护，GbE PHY 可能会被高瞬态电压和 ESD 破坏。(图片来源： 赛姆泰克)

　　GbE PHY 的设计包括通过隔离变压器提供一定程度的保护。GbE 规范 (IEEE 802.3) 要求最小隔离额定值为 2.1 kV。大多数商用变压器提供 4 至 8 kV 隔离。此外，GbE 接口通常包括一个共模扼流圈 (CMC)，这是一种用于阻断更高频率交流电以帮助降低 ESD 尖峰的电感器。最后的保护程度来自“鲍勃·史密斯”终止。这使用一个 75 欧姆 (Ω) 电阻器来实现共模阻抗匹配，用于通过电容器共同连接到地的信号对。端接有助于减少后面讨论的共模辐射(图 2)。

　　图 2：GbE 物理层包括一些针对瞬态电压的内置保护，包括隔离变压器、共模扼流圈和电阻端接电路。(图片来源：Semtech)

　　仅仅依靠 GbE PHY 隔离变压器、CMC 和端接电路进行全面保护是有风险的。虽然这些组件提供了一些瞬态电压缓解，但有几种情况会使端口受到损坏。

　　GbE瞬态电压偏移本质上可分为共模或差模。在共模电压瞬变期间，所有 GbE PHY 导体相对于接地瞬时上升到相同的电压。由于所有导体都处于相同的电位，因此没有电流从一个导体转移到另一个导体。相反，电流流向地面。电流的常见路径是通过变压器中心抽头通过导体接地，并通过终端电路(图 3)。

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　　图 3：高瞬态电压共模电流通过隔离变压器中心抽头流经 RJ-45 连接器接地。(图片来源：Semtech)

　　差模浪涌不同。电流通过变压器流入差分对的一条信号线上的 GbE 端口，然后流出另一条信号线上的端口。流过变压器初级绕组的瞬态电流在次级绕组中感应出电流浪涌。一旦浪涌被消除，变压器中存储的能量将转移到脆弱的GbE PHY所在的位置。正是这种转移的能量充其量会导致数据丢失和毛刺，最坏的情况是导致永久性损坏(图 4)。

　　图 4：差模浪涌在隔离变压器上感应电流，可能会损坏敏感的电子电路。(图片来源：Semtech)

　　图4显示，差模浪涌是最危险的，因为它会使GbE PHY暴露在潜在的破坏性电压下。隔离变压器的次级侧需要额外的保护，以防止这些浪涌。

　　使用TVS二极管进行浪涌保护

　　保护 GbE PHY 需要能够隔离、阻断或抑制大瞬态能量脉冲的设备。额外的变压器可以完全隔离以太网电子设备，但体积庞大且价格昂贵。保险丝是一种廉价的阻断方法，但必须在每次跳闸事件后复位或更换。TVS二极管是一个很好的折衷方案;它们有效地将峰值瞬态电压抑制到安全水平，不需要重置，结构紧凑，价格合理。

　　在结构上，TVS二极管是一个 p-n 专门设计具有大结横截面积的器件，可吸收高瞬态电流和电压。虽然TVS二极管的电压/电流特性与齐纳二极管相似，但这些器件设计用于电压抑制而不是电压调节。与其他抑制器件相比，TVS 二极管的一个关键优势是其对电瞬变的快速响应(通常在纳秒内)，将瞬态能量安全地转移到地，同时保持恒定的“钳位”电压(图 5)。

　　图 5：TVS 二极管为高于阈值电平的瞬态电压提供低阻抗接地路径。因此，受保护电路仅受安全电压的影响。(图片来源：Semtech)

　　在正常工作期间，TVS二极管向电路提供高阻抗，电压高达其工作电压(VRWM).当设备端子两端的电压超过击穿电压(VBR)，雪崩击穿发生在二极管的结点，导致其“回弹”或切换到低阻抗导通状态。这会将电压降低到钳位水平(VC)作为瞬态峰值脉冲电流(I聚丙烯) 流经设备。受保护电路承受的最大电压等于VC 并且通常适度。一旦电流降至保持电流以下(IH)，TVS二极管返回到高阻抗关断状态(图6和表1)。

　　图 6：TVS 二极管工作特性。在击穿电压下，元件切换到低阻抗导通状态，并在瞬态峰值电流通过时将电压降低到安全的钳位水平。(图片来源：Semtech)

　　表 1：图 6 的参数定义。(表源：Semtech)

　　来自知名制造商的 TVS 二极管旨在保护接口，同时满足 IEC 61000-4-2 (ESD)、IEC 61000-4-4 (EFT) 和 IEC 61000-4-5(闪电)等文档中详述的严格抗扰度标准。

　　IEC 61000-4-5规定了如何测试浪涌抗扰度，提供了用于确定TVS二极管能力的典型浪涌波形的详细信息。波形模拟间接雷击，在8微秒(μs)内达到其峰值电流值(tp)的90%，并在20 μs内衰减到其峰值的50%。数据表通常将其称为“8/20 μs波形”，并提供了波形最大峰值脉冲电流(I聚丙烯)，保护装置可以承受。数据手册通常还详细说明了产品对1.2/50 μs间接雷击引起的相关电压浪涌波形的响应(瞬态浪涌在1.2 μs内达到峰值电压，并在50 μs内衰减到峰值的50%)。

　　TVS二极管的另一个关键保护特性是其“ESD耐受电压”。这是保护装置可以承受的最大静电放电电压而不会损坏，通常为数十kV量级。

　　用于千兆以太网物理层保护的 TVS 二极管

　　除GbE外，TVS二极管还可用于保护各种接口，包括HDMI，USB Type-C，RS-485和DisplayPort。但是，这些接口中的每一个都需要微妙不同的保护级别。因此，TVS二极管必须针对特定应用进行设计。

　　例如，Semtech制造了一个 TVS二极管系列 针对 GbE 接口保护。这些器件采用一种工艺技术制造，Semtech表示，相对于其他硅雪崩二极管工艺，该技术可降低漏电流和电容。该产品系列的另一个优点是它具有 3.3 至 5 伏(取决于版本)的低工作电压，以节省能源。

　　例如，RailClamp 系列包括 RCLAMP0512TQTCT 适用于 2.5 GbE 接口保护。该设备具有I聚丙烯 20 安培 (A) (tp = 8/20 和 1.2/50 μs) 和峰值脉冲功率 (PPK) 的 170 瓦。ESD 耐受电压为 +/-30 kV。五世BR 为 9.2 伏(典型值)，IH 为 150 毫安 (mA)(典型值)，VC 典型电压为 5 V，最大值为 8.5 V(图 7)。

　　图 7：RCLAMP0512TQTCT 在承受 1.2/50 μs 电压和 8/20 μs 电流浪涌峰值为 20 A 时的钳位电压特性。在短暂的峰值之后，钳位电压稳定在 5 V 以下，从而保护 GbE PHY。(图片来源：Semtech)

　　RCLAMP0512TQ 是一款紧凑型器件，采用 3 引脚 SGP1006N3T 封装，尺寸为 1.0 x 0.6 x 0.4 毫米 (mm)。

　　Semtech RailClamp系列中还有其他产品，可为在潜在更危险的情况下使用的1 GbE应用提供更大的保护。这 RCLAMP3374N.南海，例如，具有 I聚丙烯 能力为 40 A (tp = 8/20 和 1.2/50 μs) 和 PPK 1 千瓦 (kW)。ESD 耐受电压为 +/-30 kV。VC 是 25 伏(最大)时 I聚丙烯 = 40 A。该组件的尺寸为 3.0 x 2.0 x 0.60 mm。

　　RailClamp系列中的中端器件是 RCLAMP3354S.TCT.这适用于 1 GbE 保护，并提供 I聚丙烯 能力为 25 A (tp = 8/20 和 1.2/50 μs) 和 PPK 400瓦。ESD 耐受电压为 +/-30 kV。VC 是 16 伏(最大)时 I聚丙烯 = 25 A。

　　TVS二极管保护设计

　　图 8 显示了使用 RCLAMP0512TQTCT 的 GbE PHY 保护方案。这些器件位于变压器的PHY侧，以防止差模浪涌，每个以太网线对上放置一个器件。以太网差分对通过引脚 1 和 2 的每个 TVS 二极管组件进行路由，引脚 3 未连接。

　　图 8：TVS 二极管保护元件放置在变压器的以太网 PHY 侧，穿过每个差分线对，并尽可能靠近 PHY 磁性元件。(图片来源：Semtech)

　　工程师应通过将保护元件放置在尽可能靠近以太网PHY磁性元件的位置来限制保护路径中的寄生电感，最好位于印刷电路板(印刷电路板)的同一侧。如果使用微通孔直接与印刷电路板接地层进行接地连接，也会有所帮助。

　　降低寄生电感对于抑制快速上升时间瞬变尤为重要。保护装置路径中的电感增加VC 受保护设备暴露在其上。VC 与路径电感乘以浪涌期间电流变化率成正比。例如，仅1纳亨利(nH)的路径电感就可以增加峰值VC 30 A ESD 脉冲，上升时间为 1 纳秒 (ns)。

　　请注意，所选的以太网变压器需要承受预期的浪涌而不会出现故障。典型的以太网变压器在发生故障之前可以承受几百安培(tp = 8/20 μs)，但这需要通过测试来验证。或者，如果怀疑变压器的浪涌抗扰度，可以将保护元件放置在变压器的线路侧。缺点是变压器提供的额外保护会丢失，并且GbE系统承受高能量浪涌的能力仅限于保护器件的能力。

　　结论

　　GbE是一种可靠且广泛的高速通信系统，但是由于雷电和ESD等现象，所有使用导体的系统都会受到能量瞬变的影响。GbE 端口的变压器、CMC 和端接电路在一定程度上缓解了此类浪涌，但差模浪涌可以绕过这种抑制并损坏以太网 PHY。建议对关键系统提供额外保护。

　　TVS二极管是一个不错的选择，因为它们有效地将峰值瞬态电压抑制到安全水平，不需要复位，并且结构紧凑且价格适中。建议将保护元件与应用仔细匹配，因为它们具有广泛的功能，包括峰值电流保护。此外，建议遵守良好的设计准则，例如位置和接地，以最大限度地保护给定的TVS二极管。