2020 年 2 月 19 日
以太网端口会遭受外部瞬态事件，如静电放电 (ESD)、电气快速瞬变 (EFT)、闪电和电缆放电事件 (CDE)。外部瞬态电压抑制 (TVS) 二极管通常用于保护以太网 PHY 芯片免受这些威胁。但关于如何连接 TVS 二极管才能实现最大成效，人们仍有很多困惑。通常的建议是在 RJ-45 连接器附近用二极管连接每根信号线和接地线。实际上，TVS 应跨信号对连接，并位于连接器的 PHY 侧。在此博客中，我们将探讨其中的原因。
以太网接口
典型的以太网端口包括隔离变压器、共模扼流圈和端口终端，如图 1 所示。根据 IEEE 802.3 标准对以太网接口的要求，这些变压器的最小隔离额定值为 1500 VRMS (2.1kV)。共模扼流圈通常与隔离变压器集成在一起，以减少 EMI 辐射。以太网端口的设计制成通常使用“Bob Smith”技术作为最后一步。该终端在每个信号对上使用 75 欧姆电阻用于共模阻抗匹配，并通过高压 1000pF 电容器共同连接到机箱接地。此终端的目的是进一步减少共模发射。
图 1 – 以太网接口组件 © Semtech Corporation 2020
共模和差模浪涌
影响以太网端口的瞬态事件本质上可分为共模或差模。在共模浪涌期间，所有导体都相对于地面产生相同的瞬时电压。由于所有导体都处于相同电位，因此电流不会从一个导体流到另一导体，而是通过设备流向接地线。电流的常见路径是通过变压器中心抽头和 Bob Smith 终端电路（图 2）经导体流向接地线。
图 2 – 共模浪涌电流 ©Semtech Corporation 2020
出现在同一电缆中两个导体之间的浪涌称为“差分浪涌”。在这种情况下，电流将通过变压器流入差分对的一条线路上的以太网端口，并从另一条线路上的端口流出。流经变压器初级绕组的瞬态电流会给绕组充电，并在次级绕组上感应出浪涌电流（图 3）。
图 3 – 差模浪涌电流 © Semtech Corporation 2020
设备测试标准通常指定在共模和/或差模下应用测试浪涌。雷电浪涌标准（例如 IEC 61000-4-5）要求同时进行差模和共模浪涌测试。根据 IEC 61000-4-2，通常在导体和接地线之间施加 ESD 脉冲。由于影响放电的参数可变，目前没有用于 CDE 的测试标准。许多制造商开发了自己的测试方法，这些方法通常包括以普通模式对电缆充电并将其插入 RJ-45 连接器。将以太网电缆插入连接器后，可能会有许多可能的接点接通顺序。一个引脚可能先接通，随后其他引脚接通。尽管以共模充电，但最终产生的放电通常处于差模。
共模至差模转换
在某些情况下，共模瞬变可以转换为差模瞬变。例如，工程师通常在每个导体和接地线之间端口的线路侧连接高压保护组件，如气体放电管 (GDT)，以抑制雷电引起的瞬变。对于共模浪涌，理论上 GDT 将同时触发电流并将其传导至接地线。实际上，GDT 永远不会以相同的电压触发。一个 GDT 将首先触发，使该线路有效接地，导致另一条线路出现快速上升时间差模瞬变。
应用保护方法
对以太网端口上可能出现的浪涌类型有了更深了解后，我们就可以消除对如何连接外部 TVS 的困惑。通过上面的讨论可以清楚地看到，在变压器的线路侧连接保护装置会引起更多的问题。而且实际上不需要这么做。变压器隔离和终端网络可提供针对共模浪涌的保护。如前所述，以太网应用中变压器的最小隔离电压为 2.1kV。实际上，许多商用变压器可在隔离被破坏之前承受 4-8kV 范围内的瞬态电压。所选终端网络的电阻器和电容器必须确保电压和电流额定值足以承受 ESD 和 EOS 事件。终端电容器在浪涌测试期间损坏，或电阻器因其太小无法耗散 ESD 脉冲能量而损毁，这样的例子在实验室中比比皆是。
要抵御差分浪涌，就需要使用 TVS 二极管。如果没有外部保护，则只有收发器输入保护可吸收瞬态能量，变压器会将该瞬态能量转移到次级。由于大多数收发器只具有中等 ESD 保护级别，因此输入可能会损坏。利用 Semtech 的 RClamp®3361P 的典型保护原理图如图 4 所示。每个设备跨一个线路对差分连接。RClamp3361P 具有低触发电压和深折回特性，这一点非常重要，因为 TVS 与 PHY 片上保护是并行的。外部 TVS 必须将电压钳制在片上保护的故障阈值电压以下，并限制流入 PHY 引脚的电流量。
图 4 – 带有 RClamp3361P 的保护电路 © Semtech Corporation 2020
浪涌电流的量级和持续时间会被变压器绕组衰减，所以在磁体的 PHY 侧放置保护是上策。这是因为随着初级绕组中浪涌电流的增加，变压器会饱和并停止从初级绕组到次级绕组耦合电流。衰减量因磁性材料的供应商和配置而异。典型的以太网变压器在发生故障之前可承受几百安培 (tp = 8/20us)，但这需要通过测试进行验证。
依靠变压器的隔离特性以及位于磁体 PHY 侧且跨每个信号线对连接的 TVS 二极管，可实现强大的以太网保护。Semtech 提供各种 TVS 二极管，可保护 1GbE、2.5GbE、5GbE 和 10GbE 端口。应根据抗扰性要求和以太网收发器的灵敏度选择合适的产品。这里的例子可成功承受 ESD（根据 IEC 61000-4-2）、CDE 和高达 500V 的雷电浪涌 (tp = 1.2/50μs，Rs = 42Ω)。
Semtech、Semtech 徽标和 RClamp 是 Semtech Corporation 或其附属公司的注册商标或服务标志。
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