Sådan konstrueres TVS-dioder til beskyttelse af Gigabit Ethernet mod spændings- og strømtransienter

Gigabit Ethernet (GbE) er et robust højhastighedskommunikationssystem, der er meget udbredt i private, kommercielle og industrielle lokaler. Ethernet-systemer giver dog udfordringer, især når forbindelsen strækker sig ud over bygninger. Udvidede linjer kan være udsat for uventede transiente spændinger og strømme på højt niveau, og elektrostatiske udladninger (ESD) er en konstant risiko.

Det fysiske GbE-lag (PHY) omfatter nogle komponenter, der giver en vis grad af beskyttelse, f.eks. isolationstransformatoren. Men man kan ikke regne med, at den indbyggede afbødning af transiente spændinger giver beskyttelse under alle omstændigheder.

TVS-dioder (Transient Voltage Suppression) er en gennemprøvet, billig og robust kredsløbsbeskyttelsesanordning i applikationer med begrænset plads og omkostninger, såsom GbE. Under normal drift virker enhederne gennemsigtige. Enhederne skal dog beskytte flere kommunikationskanaler mod overspændingsstrømme på op til 40 ampere (A) og ESD'er på op til 30 kilovolt (kV) og opretholde en lav belastningskapacitans under normal brug for at sikre højhastighedssignalintegritet.

Denne artikel beskriver de designudfordringer, som GbE-beskyttelse mod højspændingstransienter og ESD-beskyttelse medfører, og behandler derefter de unikke egenskaber ved TVS-dioder, der er nødvendige for at undertrykke energien. Artiklen beskriver derefter nogle kommercielle løsninger på problemet, før den viser, hvordan man designer de valgte enheder til systemer til transientbeskyttelse i henhold til standarder som IEC 61000-4-2, -4 og -5.

Farerne ved transiente spændingseffekter

GbE er et kabelbaseret kommunikationssystem til høj hastighed. Kobberforbindelser transporterer de differentielle signaler, der repræsenterer de "nuller" og "ettaller", som udgør den digitale signalstrøm. Kobbertråden er imidlertid også den perfekte transportmekanisme for høje transiente spændinger og ESD-hændelser, som kan beskadige siliciumkredsløbselementer (figur 1).

Figur 1: Uden beskyttelse kan GbE PHY'er blive ødelagt af høje transiente spændinger og ESD. (Billedkilde: Semtech)

Designet af GbE PHY'en omfatter en vis grad af beskyttelse gennem isolationstransformatorer. GbE-specifikationen (IEEE 802.3) kræver en isolationsgrad på mindst 2,1 kV. De fleste kommercielle transformere har en isolering på 4-8 kV. Desuden indeholder GbE-grænseflader typisk en common-mode spole (CMC), en induktor, der bruges til at blokere højere frekvenser af AC for at hjælpe med at reducere ESD-spidser. En sidste grad af beskyttelse kommer fra en "Bob Smith"-afbrydelser. Dette bruger en modstand på 75 ohm (Ω) til at implementere en fællesimpedanstilpasning for signalpar, der er forbundet via en kondensator til jord. Termineringen kan hjælpe med at reducere de common-mode-emissioner, der diskuteres senere (Figur 2).

Figur 2: Det fysiske GbE-lag omfatter indbygget beskyttelse mod transiente spændinger, herunder en isolationstransformator, en common-mode-drossel spole og et modstands-termineringskredsløb. (Billedkilde: Semtech)

Det er risikabelt blot at stole på GbE PHY-isolationstransformatoren, CMC'en og termineringskredsløbet til omfattende beskyttelse. Selv om komponenterne giver en vis afbødning af transiente spændinger, er der flere omstændigheder, som gør porten udsat for skader.

GbE-spændingsudsving kan klassificeres i enten common-mode eller differential-mode. Under en spændingstransient i common-mode stiger alle GbE PHY-lederne øjeblikkeligt til den samme spænding i forhold til jord. Da alle ledere er på samme potentiale, er der ingen strømoverførsel fra den ene leder til den anden. I stedet løber strømmen gennem til jorden. En almindelig vej for strømmen går gennem lederen til jord via transformerens midteraftag og gennem termineringskredsløbet (figur 3).

Figur 3: En høj transient spænding i common-mode strøm løber gennem RJ-45-stikket til jord via isoleringstransformatorens midteraftag. (Billedkilde: Semtech)

Differential-mode overspænding er anderledes. Strømmen strømmer ind i GbE-porten på den ene signallinje i det differentielle par, gennem transformeren og tilbage ud af porten på den anden signallinje. Den transiente strøm, der løber gennem transformatorens primære vikling, inducerer en strømstød i den sekundære vikling. Når overspændingen er fjernet, vil den lagrede energi i transformeren blive overført til det sted, hvor den skrøbelige GbE PHY er placeret. Det er denne overførte energi, der i bedste fald resulterer i tabte data og fejl og i værste fald fører til permanent skade (figur 4).

Figur 4: En differentialmodebølge inducerer strøm på tværs af isoleringstransformatoren, som kan beskadige følsomme elektroniske kredsløb. (Billedkilde: Semtech)

Figur 4 viser, at differentialmodeoverspændingen er den farligste, da det er den, der udsætter GbE PHY'en for potentielt skadelige spændinger. Der er behov for yderligere beskyttelse på isoleringstransformatorens sekundærside for at beskytte mod disse overspændinger.

Brug af TVS-dioder til overspændingsbeskyttelse

Beskyttelse af GbE PHY kræver enheder, der kan isolere, blokere eller undertrykke de store transiente energipulser. Ekstra transformatorer kan isolere Ethernet-elektronikken fuldstændigt, men de er voluminøse og kan være dyre. Sikringer er en billig metode til blokering, men skal nulstilles eller udskiftes efter hver udløsning. TVS-dioder er et godt kompromis: De undertrykker effektivt spidsspændingen til et sikkert niveau, kræver ingen nulstilling, er kompakte og er rimeligt prissat.

En TVS-diode er strukturelt set en p-n, der er specielt designet med et stort tværsnitsareal i krydset for at absorbere høje transiente strømme og spændinger. Selv om spændings-/strømkarakteristikken for en TVS-diode ligner en zenerdiode, er enhederne designet til spændingsundertrykkelse snarere end til spændingsregulering. En vigtig fordel ved en TVS-diode er dens hurtige reaktion (typisk inden for nanosekunder) på elektriske transienter - Den omdirigerer energien fra transienten sikkert til jord, mens den opretholder en konstant "klemme"-spænding - sammenlignet med andre undertrykkelsesanordninger (Figur 5).

Figur 5: En TVS-diode giver en lavimpedansvej til jord for transiente spændinger over et tærskelniveau. Som følge heraf er det beskyttede kredsløb kun udsat for en sikker spænding. (Billedkilde: Semtech)

Under normal drift giver TVS-dioden en høj impedans til kredsløbet for spændinger op til dens arbejdsspænding (V_RWM). Når spændingen over enhedens terminaler overstiger nedbrydningsspændingen (V_BR), sker der et lavinesammenbrud i diodens samling, hvilket får den til at "snap-back" eller skifte til en lavimpedans tændt tilstand. Dette sænker spændingen til et fastspændt niveau (V_C), mens den transiente spidsimpulsstrøm (I_PP) strømmer gennem enheden. Den maksimale spænding, som det beskyttede kredsløb er udsat for, er lig med V_C og er typisk beskeden. Når strømmen falder til under holdestrømmen (I_H), vender TVS-dioden tilbage til en højimpedans slukket tilstand (figur 6 og tabel 1).

Figur 6: TVS-diodens driftskarakteristika. Ved nedbrydningsspændingen skifter komponenten til en lavimpedans tændt tilstand og sænker spændingen til et sikkert fastspændingsniveau, efterhånden som den transiente spidsstrøm passerer. (Billedkilde: Semtech)

Tabel 1: Parameterdefinitioner for figur 6. (Kilde til tabellen: Semtech)

TVS-dioder fra anerkendte producenter er designet til at beskytte grænseflader og samtidig opfylde strenge immunitetsstandarder, der er beskrevet i dokumenter som IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) og IEC 61000-4-5 (lynnedslag).

IEC 61000-4-5, som angiver, hvordan man tester for overspændingsimmunitet, indeholder oplysninger om den typiske bølgeform for overspænding, der anvendes til at bestemme en TVS-diodes kapacitet. Bølgeformen simulerer et indirekte lysnedslag og når 90 % af sin spidsstrømsværdi (tp) på 8 mikrosekunder (µs) og falder til 50 % af sin spidsværdi på 20 µs. Databladene henviser ofte til dette som "8/20 µs-bølgeformen" og indeholder oplysninger om bølgeformens maksimale spidsimpulsstrøm (I_PP), som beskyttelsesanordningen kan modstå. Databladene beskriver også typisk produktets reaktion på den tilhørende spændingsbølgeform forårsaget af et indirekte lysnedslag på 1,2/50 µs (en transient spænding, der når sin spidsværdi på 1,2 µs og aftager til 50 % af sin spidsværdi på 50 µs).

Den anden vigtige beskyttelseskarakteristik for en TVS-diode er dens "ESD-modstandsspænding". Det er den maksimale spænding for statisk elektrisk udladning, som beskyttelsesanordningen kan tåle uden at blive beskadiget, og den er typisk i størrelsesordenen 10.000 kV.

TVS-dioder til beskyttelse af GbE PHY

Ud over GbE fås TVS-dioder til beskyttelse af en række grænseflader, herunder HDMI, USB Type-C, RS-485 og DisplayPort. Men hver af disse grænseflader kræver forskellige niveauer af beskyttelse. Det er derfor vigtigt, at TVS-dioden er designet til den specifikke anvendelse.

Semtech fremstiller f.eks. en række TVS-dioder, der er målrettet mod beskyttelse af GbE-grænseflader. Enhederne er fremstillet ved hjælp af en procesteknologi, der ifølge Semtech resulterer i en reduktion af lækstrøm og kapacitans i forhold til andre silicium-avalanche-diodeprocesser. En yderligere fordel ved produktserien er, at den har en lav driftsspænding fra 3,3 til 5 volt (afhængigt af versionen) for at spare energi.

RailClamp-serien omfatter f.eks. RCLAMP0512TQTCT, som er egnet til beskyttelse af 2,5 GbE-grænseflader. Denne enhed har en I_PP-kapacitet på 20 ampere (A) (tp = 8/20 og 1,2/50 µs) og en maksimal pulseffekt (P_PK) på 170 watt. ESD-modstandsspændingen er +/-30 kV. V_BR er 9,2 volt (typ), I_H er 150 milliampere (mA) (typ), og V_C er 5 volt typisk og 8,5 volt maksimalt (figur 7).

Figur 7: RCLAMP0512TQQTCT's spændingskarakteristik ved en spænding på 1,2/50 µs og en strømstød på 8/20 µs med en spidsbelastning på 20 A. Efter en kortvarig spids falder klemspændingen til under 5 volt og beskytter GbE PHY'en. (Billedkilde: Semtech)

RCLAMP0512TQ er en kompakt enhed i en 3-bens SGP1006N3T-pakke, der måler 1,0 x 0,6 x 0,4 millimeter (mm).

Der findes andre produkter i Semtech RailClamp-serien, som giver større beskyttelse til 1 GbE-applikationer, der anvendes i potentielt mere farlige situationer. RCLAMP3374N.TCT har f.eks. en I_PP-kapacitet på 40 A (tp = 8/20 og 1,2/50 µs) og en P_PK på 1 kilowatt (kW). ESD-modstandsspændingen er +/-30 kV. V_C er 25 volt (maks.), når I_PP = 40 A. Komponenten måler 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

Enheden i mellemklassen i RailClamp-serien er RCLAMP3354S.TCT. Den er egnet til 1 GbE-beskyttelse og har en I_PP-kapacitet på 25 A (tp = 8/20 og 1,2/50 µs) og en P_PK på 400 watt. ESD-modstandsspændingen er +/-30 kV. V_C er 16 volt (maks.), når I_PP = 25 A.

Projektering af TVS-diodebeskyttelse

Figur 8 viser en GbE PHY-beskyttelsesordning med RCLAMP0512TQQTCT. Enhederne er placeret på PHY-siden af transformeren for at beskytte mod overspændinger i differentiel tilstand, idet en enhed er placeret på tværs af hvert Ethernet-ledningspar. Ethernet-differentialparrene ledes gennem hver TVS-diodekomponent ved ben 1 og 2, mens ben 3 ikke er tilsluttet.

Figur 8: TVS-diodebeskyttelses komponenterne er placeret på Ethernet PHY-siden af transformatorerne, på tværs af hvert differentialledningspar og så tæt på PHY-magnetikken som muligt. (Billedkilde: Semtech)

Ingeniøren bør begrænse parasitær induktans i beskyttelsesvejen ved at placere beskyttelses komponenten så fysisk tæt på Ethernet PHY-magnetikken som muligt og helst på samme side af printkortet (PC-kort). Det hjælper også, hvis jordforbindelserne foretages direkte til PC-kortets jordplan ved hjælp af microvias.

Reduktionen af den parasitære induktans er især vigtig for at undertrykke hurtige transienter med hurtig stigningstid. Induktans i beskyttelsesanordningens vej øger V_C, som den beskyttede anordning udsættes for. V_C er proportional med vejinduktansen gange strømændringshastigheden under overspændingen. F.eks. kan blot 1 nanohenry (nH) af vejinduktans øge V_C spidsværdien med 30 volt for en 30 A ESD-impuls med en stigningstid på 1 nanosekund (ns).

Bemærk, at den valgte Ethernet-transformer skal kunne overleve forventede overspændinger uden at gå i stykker. En typisk Ethernet-transformer kan modstå et par hundrede ampere (tp = 8/20 µs), før der opstår fejl, men dette skal verificeres ved testning. Alternativt kan beskyttelses komponenten placeres på transformatorens netside, hvis transformatorens overspændingsimmunitet er tvivlsom. Ulempen er, at den ekstra beskyttelse, som transformeren giver, går tabt, og GbE-systemets evne til at modstå overspændinger med høj energi er begrænset til beskyttelsesanordningens kapacitet.

Konklusion

GbE er et pålideligt og udbredt kommunikationssystem til høj hastigheds men alle systemer, der anvender ledere, er udsat for energitransmissioner som følge af fænomener som lynnedslag og ESD. Sådanne overspændinger afbødes til en vis grad af GbE-portens transformator, CMC og termineringskredsløb, men overspændinger i differentiel tilstand kan omgå denne undertrykkelse og beskadige Ethernet PHY'en. Der anbefales yderligere beskyttelse for kritiske systemer.

TVS-dioder er en god mulighed, fordi de effektivt undertrykker spidsbelastningsspændingen til et sikkert niveau, ikke kræver nulstilling og er kompakte og billige. Det anbefales at tilpasse beskyttelseskomponenten omhyggeligt til applikationen, da de er tilgægelige med en lang række funktioner, herunder spidsstrømsbeskyttelse. Desuden anbefales det at overholde gode designretningslinjer, f.eks. placering og jordforbindelse, for at maksimere beskyttelsen af en given TVS-diode.