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如何对以太网端口做最佳保护

发布时间:2013-01-08 责任编辑:easonxu

【导读】电子产品的威胁及以太网络的保护。设计人员使用保护器去维护设备的可靠性,以对抗包括:Lighting Induced Surges、ESD (Electrostatic Discharge)、EFT(Electrical Fast Transient)及CDE(Cable Discharge Event)在内的4种主要威胁。


电路板端研发工程师通常使用TVS二极管阵列以提供对以太网端口的保护。在许多情况下,设计人员使用保护器去维护设备的可靠性,以对抗包括:Lighting Induced Surges、ESD (Electrostatic Discharge)、EFT(Electrical Fast Transient)及CDE(Cable Discharge Event)在内的4种主要威胁。

去了解上述威胁事件的本质与“方向性”,将有助于引导工程师如何对以太网端口做最佳的保护,更重要的是元件的脚位连接对影响系统性能会是如何。所提供的资料在下面的章节中,将参考图1,以协助说明相关问题。

图1:Littelfuse的SP03系列
图1:Littelfuse的SP03系列

Lightning Induced Surges

根据不同标准或法规的规定(评估设备抗扰度标准如IEC61000-4-5、GR-1089、ITU),雷击浪涌可以分为差动或共模2种测试模式并有不同的波形。在差动模式下,1对绞线(Pair)的2个导体或接脚(即J1和J2)连接到测试设备测试端的正负极之间,测试的能量进到RJ-45端口,并只出现在这2个导体之间(见图2)。测试的主要能量将会消散在接线端保护元件,如(图1)所显示为Littelfuse的SP03系列(半导体的保护矩阵),但一些能量也会藉由变压器的传输,而在变压器的驱动器端(or PHY Side)产生出差动的事件,如此例(图1)中的TX+和TX-数据线。

图2:以太网端口保护
图2:以太网端口保护

共模测试是测试个别的导线或所有数据线对GND的测试。测试设备的正极连接到所有的导体或接脚(即J1,J2,J3和J6),负极将连接到GND(见图2)。假设线路的阻抗是完全匹配的,在这种情况下,很少的能量会消耗在SP03。大部分的能量会透过变压器磁性元件的电容耦合,到变压器驱动器端,而在以太网的PHY元件上产生出1个共模事件。

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Electrostatic Discharge (ESD)

评估设备ESD抗扰度(符合IEC61000-4-2标准),可经由接触或空气进行放电。有许多方法来打ESD能量,但在所有情况下,可将ESD脉冲的出现,视同对电路共模事件,参考对GND的能量释放。

Electrical Fast Transient (EFT)

检验设备的EFT抗扰度(符合IEC61000-4-4标准)与雷击浪涌的共模测试非常相似。在较典型的配置如图3所示,所有的导体(或接脚)都被电容耦合到测试产生器的正端,另一端则是「浪涌」到GND。如果数据线有很好的平衡,则在绞线(Pairs)之间几乎没有任何能量的差别,但变压器的电容耦合将转移共模的能量到驱动器侧,尽管已减少很多。

Cable Discharge Event (CDE)

CDE是另一种现象,应该与静电放电(ESD)有所区别并分开考虑。双绞线电缆的特性和应用环境的了解,在对CDE的考量中扮演着重要角色。经常变化的电缆环境也增加了预防CDE损害的挑战。系统设计师可以透过良好的线路布局及慎选零组件来达到最大限度地保护,而防止CDE事件的发生。在IEEE 802.3标准要求绝缘电压为2,250伏直流和1,500伏交流,以防止可能因高电压产生的CDE而造成的连接器故障。为了避免在这些事件中的电弧,这些绝缘的规定适用于在RJ-45连接器,如同变压器的绝缘。为了防止电介质崩溃和电路板上的跳火,印刷电路板接线侧和内部线路的地之间应有足够的漏电距离,布线之间要有足够间隙。实验室测试结果显示,瞬时要能承受2,000V的电压,在FR4电路板布线间距应有至少250密尔的间距。UTP电缆放电事件可以高达几千伏,非常具有破坏性。电荷积累来自两个主要来源:摩擦电和电磁感应的效果。

这些影响可能来自拉扯聚氯乙烯覆盖 CAT5 UTP电缆上的尼龙布,可导致电荷在电缆上建立。类似的方式,电荷也可能建立在1个电缆上,例如当电缆在管道被拉扯或与其它网络电缆摩擦时。此类似人脚在地毯上摩擦所产生的电荷,电荷建立发生在电缆无端点时,电荷不会立即消散(即电缆两端都没有插入到系统里)。此外,累加的电荷必须被保留,才能导致重大损害。新的CAT5和CAT6电缆具有非常低的介质泄漏,往往会保留电荷很长一段时间,相对湿度较低的环境又会使得电荷停留的时间变长。当带电UTP电缆插入1个RJ-45网络端,有很多可能的放电路径。突波电流会走最低电感路径,这个路径可能是RJ-45接点、印刷电路板(PCB)走线(Trace)之间、穿过在变压器里的史密斯AC终端电阻(75Ω),或通过半导体零件。根据电缆的长度,累计充电可百倍于1个典型的ESD模型电荷。

这随之而来的高能量放电会损坏连接器、变压器的电路或以太网收发器。双绞线电缆就如同1个电容器储存电荷,研究证实,几百伏充电可以积累在没有终端的双绞线电缆。另外,1个完全放电电缆1小时内就可以建立其一半的潜在电荷。一旦充电,好的电缆可以保留它的大部分电荷超过 24小时。不同长度的CAT5电缆可充电时间的推算如图4所示。由于较长的电缆有更多容量来存储电荷,当电缆长度超过60米时,系统应采取额外的CDE预防措施。

另一个重要因素是对CDE的波形理解,因为它不同于任何威胁,如先前讨论可以是差分或共模取决于耦合机制。此外,初步研究显示,在特性上可以有较大的变化,但总体而言,CDE的波形具有较高的能量并呈现在电压和电流推力。波形是分布在数百奈秒的时间快速极性反转。下面的图5显示经过被充电到1.5KV的25英尺双绞线电缆,在以太网PHY发射端接脚的1个具有破坏性的CDE波形。请看最下方的差动波形,在600ns的期间,正负压有64.8V的变化。在这个实验中,PHY的发射器被破坏,无法传输数据封包到网络上。

从电路设计人员的角度来看,以太网系统的设计和布线注意CDE的重点应放在对IC破坏能量的转移。系统设计考虑包括增设TVS二极管阵列(SPA)和耦合变压器本身。变压器电路将有助于防止共模突波,但高能量突波应该有路径到地(GND)。

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电路保护装置最佳化设计

任何接线侧(Line Side)的保护器(此例中为SP03)不能有其GND接脚(2,3,6,7)连接到GND,以符合IEEE802.3隔离标准,因此,设计者只得采用「仅差动」(differential only)保护器。(注:当然,这就必须有1个驱动侧(Drive Side)的保护元件,以防止共模事件。)

该元件保护PHY或驱动侧总有I/O接脚连接到差动对,如图1。然而不同线路侧保护器,此元件可以有它的GND接脚连接到GND层,且Littelfuse建议这样的配置。如果GND接脚没有连接,保护装置(此例中为SP3050)将成为仅差动保护装置,将无法箝制破坏性的共模突波而导致能量直接冲击到PHY。此外,尽管GND接脚接地,此装置仍可保护差动事件,当压差超过内部TVS崩溃电压加上二极管顺偏(使用SP3050的例子)时。至于有一接脚常见在TVS二极管阵列,第5脚,VCC,Littelfuse也建议,连接到电源,如5V, 3.3V等(注意确认,保护器的对峙(Standoff)电压或VRWM,须高于电源电压,以防止触发或打开内部TVS。)由于连接在SP3050 VCC接脚, 电气突波将通过两个独立的放电路径以红色显示,设计者将获得整体更好的箝制。可以简单看作是突波进入1个电阻分压器,经由二极管的两个途径:一是通过内部TVS接地,一至电源或通过外部旁路电容接地。总而言之,连接接脚5到电源将产生更好的箝位性能,提供整体更好的以太网PHY防护。

另一个好处是偏压VCC接脚,与不接相比,会有较低I/O对地的电容。零件规格书应提供给设计者VCC的偏压对电容的关系,以利保护以太PHY的设计,图7为参考SP3050。

当使用TVS阵列保护1个以太网端口,设计者应该始终对威胁保持警觉,做出保护与预防。在几乎所有情况下,威胁是差动和共模事件的组合,当保护装置正确连接,可以有效地箝制。接线侧保护元件被限于差动保护,但驱动或PHY侧保护装置应连接到GND,本地电源。这将提供最好的箝制性能和最大的以太网端口可靠性。

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