電氣威脅無所不在　乙太網路埠保護措施不可少

2014-04-14

Chad Marak/Phillip Havens

電路板設計人員通常使用瞬態電壓抑制器(TVS)二極體陣列來為乙太網路埠提供保護。在許多情況下，設計人員為了保持設備的可靠性，而針對四種主要的威脅採取保護：雷電感應突波(IEC 61000-4-5, GR-1089, ITU)、靜電放電(ESD)(IEC 61000-4-2)、電氣快速瞬變(EFT)(IEC 61000-4-4)及電纜放電事件(CDE)。

了解威脅可能發生的原因

圖1　使用TVS二極體陣列為乙太網路介面提供二階段式防雷保護

了解以上所列事件的性質和「方向性」，將有助設計人員對乙太網路埠進行最好的保護，更重要的是，透過適當的元件接腳連接確保系統性能。

以下小節中提供的資訊會參考到圖1，以便詳細說明這些要點；將從雷電感應突波、靜電放電、電氣快速瞬變、電纜放電事件四個面向，來了解乙太網路的電氣威脅何在。

雷電感應突波

圖2　乙太網路介面的差模和共模測試設置(僅用於快速乙太網路)

根據業界所遵循的標準或規則，雷擊突波可以是差模(Differential Mode)或具有不同波形的共模(Common Mode)。在差模中，測試設備正極端子和負極端子之間連接兩個導體或接腳(即J1和J2)，因此在RJ-45埠上進入的能量只在這兩個導體之間出現(圖2)。該能量將在線路側的保護元件上消散，但部分能量也會傳遞到變壓器，在變壓器的驅動端上，或如本例所示的Tx+和Tx-資料線之間造成差模事件。

對於共模測試，個別導體或資料線自身將就GND進行測試。如圖2所示，測試設備的正極端將連接到所有導體或接腳(即J1、J2、J3和J6)，負極端連接到GND。在這種情況下，假設線路阻抗緊密匹配，在SP03元件上消散的能量將非常稀少。大部分的能量將透過變壓器的磁性材料而電容性耦合至變壓器的驅動端，變為乙太網路實體(PHY)的共模事件。

靜電放電

評估設備的靜電放電抗擾性(按照IEC 61000-4-2標準)可透過接觸或空氣放電進行。注入靜電放電有多種方法，但在所有情況下，由於釋放能量關係到GND，靜電放電脈衝在電路上是以共模事件出現。

電氣快速瞬變

圖3　乙太網路介面的典型電氣快速瞬變測試設置(僅用於快速乙太網路)

檢查設備的電氣快速瞬變抗擾性(按照IEC 61000-4-4標準)與對共模雷擊突波測試非常相似。在圖3所示的典型配置中，所有導體(或接腳)均是電容性耦合至測試發生器的正極端，且對於GND顯示「激增」。如果資料線均衡良好，在組對之間將不會有差分能量，但是變壓器的耦合電容會再次將共模能量轉移到驅動端，即使是以較低的水準。

電纜放電事件

電纜放電事件應該與靜電放電加以區分。雙絞線電纜的特點和其環境知識，在了解電纜放電事件上發生重要作用。頻繁變化的電纜環境還增加在防止電纜放電事件損害上的挑戰。系統設計人員透過良好的布局做法和元件選擇，可有效進行電纜放電事件保護。IEEE 802.3標準規定2,250VDC和1,500VAC的隔離電壓，以防止電纜放電事件導致連接器故障。

此外，為防止電弧作用，這些隔離要求適用於RJ-45連接器及隔離變壓器。為防止電路板上的介電故障和火花產生，線路側印刷電路板(PCB)和地面應該在走線之間有足夠的爬電距離和間隙。

實驗室測試結果顯示，要承受2,000伏特(V)的瞬態電壓，FR4電路板跡線(Traces)間距應該有至少250密爾(mil)的分隔距離(資料來源於www.nation-al.com)。無遮蔽式雙絞線(UTP)電纜放電事件所產生的電壓可高達幾千伏特，電荷累積源自於摩擦起電效應和電磁感應效應。

在尼龍地毯上拉一條聚氯乙烯(PVC)包覆的第五類纜線(CAT 5)無遮蔽式雙絞線電纜，會導致在電纜上的電荷積聚，從而產生這些效應。同樣地，在從導線管拉出電纜或在其他網路電纜上拖拉電纜時也會產生電荷積聚。這種電荷積聚與腳擦過地毯的類似。電荷積聚僅當電纜未連接，以及電荷未能得到即時耗散時發生。

此外，要造成實質性損害，累積的電荷還須要得到保存。新的CAT 5和CAT 6電纜具有非常低的介電洩漏，且傾向於長時間留存電荷。在相對濕度低的環境下，電荷留存時間會增加。當帶電的無遮蔽式雙絞線電纜插入到RJ-45網路埠時，有多種可能的放電路徑。瞬態電流經由的是最低電感路徑，這條路徑可能是在RJ-45連接器上、印刷電路板的兩個跡線間、變壓器中、通過鮑勃史密斯AC終端，或通過矽元件。取決於電纜的長度，累積的電荷可能是一個典型靜電放電模型電荷的幾百倍。

圖4　不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況

這種緊接著發生的高能量放電可能會損壞連接器、變壓器電路或乙太網路收發器。雙絞線電纜的作用相當於一個儲存電荷的電容，在未連接的雙絞線電纜上可能會積聚數百伏特的電荷。此外，一根完全放電的電纜可在1小時內積聚一半的潛在電荷，一旦帶有電荷，優質的電纜對大部分電荷的留存時間超過24小時。圖4說明不同長度的CAT 5電纜隨時間變化的電荷積聚情況。由於長電纜具有儲存更多電荷的能力，因此對超過60公尺(m)電纜的系統應採取額外電纜放電事件防範措施。

另一個因素是電纜放電事件波形，其不同於前述任何一種威脅，根據耦合機制的不同，它可以是差模也可以是共模。此外，其具有大幅度變化的特點，但總體而言，電纜放電事件波形具高能量且同時顯示電壓和電流驅動。這種波形在幾百奈秒(ns)時間內散布，帶有快速的極性倒轉。

圖5　在25英尺雙絞線電纜被充電至1.5千伏特後，在乙太網路PHY中顯示多種CDE放電波形

圖5顯示的是一個破壞性電纜放電事件波形的例子，它在25英尺雙絞線電纜被充電至1.5千伏特之後出現在乙太網路PHY的發送器接腳上。隨著事件期間600奈秒時間的推移，在差分波形上可以看到從正電壓到負電壓有64.8伏特的變化。

在這個試驗中，該PHY的發射器被破壞，無法在網路上傳輸封包。從電路板級設計人員的角度來看，乙太網路系統的設計和布局應關注電纜放電事件，並將首要重點放在從IC元件上分流能量。設計考慮包括添加TVS二極體陣列和耦合變壓器。變壓器電路有助於防止共模瞬變，但高能量瞬變應具有一個接地路徑。

設計理想的元件配置

圖6　電流進入TVS二極體陣列和接腳以帶來最佳化的鉗位元性能

任何線路側保護元件(在這個例子中為SP03)的GND接腳(2、3、6和7)不能連接至GND，以符合IEEE 802.3標準對於隔離的要求；因此，設計人員別無他法，只能將該元件做為一種「僅為差模」的保護器(當然，這必須滿足對驅動端保護元件的需求，以防止共模事件)。

保護PHY或者驅動端的元件的輸入/輸出(I/O)接腳始終連接至差分線對，如圖1所示。然而，不同於線路側保護器，這種元件的GND接腳可以被連接至本地GND平面，且建議採用這種配置。

如果GND接腳沒有被連接，那麼保護元件(本例中為SP3050)將會成為一種僅為差模的保護器，且可能會使破壞性共模事件通過未鉗制的PHY。此外，應該要注意，即使GND接腳已連接，一旦電壓差超過內部TVS擊穿電壓加上兩個二極體的電壓降，該元件將仍然會保護防止差模事件。

至於在大多TVS二極體陣列中常見的剩下的這個接腳--接腳5(Vcc)，建議將其連接至本地電源，如5伏特、3.3伏特電源。請注意，應確保保護元件的隔絕電壓(VRWM)遠高於電源電壓，以防止啟動或打開內部TVS二極管。

透過連接SP3050元件的Vcc接腳，由於電氣瞬變將經由兩條獨立的放電路徑(圖6淺色部分所示)，設計人員可獲得更好的整體鉗位。它可視為一個電阻分壓器，瞬變通過控向二極體進入，並經由兩條路徑：一條由內部TVS至GND，另一條通過電源或一個外部旁路電容至GND。總之，將接腳5連接至電源會帶來更好的鉗位元性能，為乙太網路PHY提供較佳保護。

偏置這個Vcc接腳另一個好處是可降低從I/O到GND的電容，這與使其保持浮動或不進行連接完全不同，應參考用於保護乙太網路PHY的特定元件資料手冊，為設計人員提供這個將部分依賴於Vcc偏置電平的電容，如圖7的元件電容與偏壓圖示。