Hur man konstruerar TVS-dioder för att skydda GbE mot spännings- och strömtransienter

Gigabit Ethernet (GbE) är ett robust kommunikationssystem med hög hastighet och utbredd användning i bostäder, kommersiella lokaler och industrier. System med Ethernet innebär dock utmaningar, särskilt när anslutningsmöjligheterna sträcker sig utanför byggnaden. Längre kablage kan utsättas för oväntade transienter och strömmar på hög nivå och elektrostatiska urladdningar (ESD) är en ständig risk.

Det fysiska lagret (PHY) för GbE innehåller särskilda komponenter som ger ett visst skydd, som t.ex. den isolerande transformatorn. Men, den inbyggda transientdämpningen är inte ett tillräckligt skydd under alla omständigheter.

Dioder för dämpning av transientspänningar (TVS-dioder) är en beprövad, billig och robust kretsskyddsanordning i tillämpningar med utrymmes- och kostnadsbegränsningar, som t.ex. GbE. Vid normal drift ser dioderna ut att vara genomskinliga. Enheterna måste ändå skydda flera kommunikationskanaler från överströmmar på upp till 40 A och elektrostatiska urladdningar på upp till 30 kV, samtidigt som de bibehåller en låg lastkapacitans vid normal användning för att garantera signalintegriteten vid höga hastigheter.

Artikeln beskriver de konstruktionsutmaningar som högspänningstransienter och skydd för elektrostatisk urladdning innebär för GbE och efter det behandlas de unika egenskaperna hos TVS-dioder som krävs för energidämpning. Därefter beskriver artikeln några kommersiella lösningar på problemet innan den visar hur man konstruerar in de valda enheterna i system med transientskydd enligt standarder som IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 samt IEC 61000-4-5.

Faror som kan uppstå med transienta spänningseffekter

GbE är ett kabelanslutet kommunikationssystem för hög hastighet. Kopparförbindelserna transporterar de differentiella signaler som representerar "nollor" och "ettor" i den digitala signalströmmen. Koppartråden är även den perfekta transportmekanismen för höga transienter och elektrostatiska urladdningar som kan skada kiselkretsar (figur 1).

Figur 1: Utan skydd kan PHY för GbE förstöras av höga transienter och elektrostatiska urladdningar. (Bildkälla: Semtech)

Konstruktionen av PHY för GbE omfattar en viss grad av skydd genom den isolerande transformatorn. Specifikationen för GbE (IEEE 802.3) kräver en lägsta isoleringsklass på lägst 2,1 kV. De flesta kommersiella transformatorer har en isolering på 4-8 kV. Dessutom innehåller gränssnittet för GbE vanligtvis en common mode-drossel (common mode choke), en induktor som används för att blockera växelspänning med hög frekvens för att göra det lättare att minska toppar med elektrostatiska urladdningar. En sista nivå av skydd kommer från "Bob Smith-terminering”. Här används en resistor på 75 Ω för att implementera en common-mode-impedansanpassning för signalpar som är anslutna tillsammans via en kondensator till jord. Termineringen kan bidra till minskad common-mode-utstrålning vilket diskuteras senare (figur 2).

Figur 2: Det fysiska GbE-lagret har ett inbyggt skydd mot transienter, inklusive en isolerande transformator, en common mode-drossel och en termineringskrets med resistor. (Bildkälla: Semtech)

För ett omfattande skydd är det riskabelt att bara förlita sig på den isolerande transformatorn i det fysiska GbE-lagret, common mode-drosseln och termineringskretsen. Även om komponenterna erbjuder en viss transientdämpning finns det flera omständigheter som utsätter porten för skador.

Transientavvikelser hos GbE kan klassas som antingen common- eller differential-mode. Vid en common mode-transient stiger alla ledare i PHY för GbE momentant till samma spänning i förhållande till jord. Eftersom alla ledare har samma potential sker ingen strömförflyttning från en ledare till en annan. I stället flödar strömmen till jord. En vanlig väg för strömflödet är via ledaren till jord via transformatorns mittersta anslutning och genom termineringskretsen (figur 3).

Figur 3: En common mode-transient passerar genom RJ45-kontakten till jord via den isolerande transformatorns mittersta anslutning. (Bildkälla: Semtech)

Urladdningen i differentialläge är annorlunda. Ström flödar in till GbE-porten på den ena signallinjen i det differentiella paret, genom transformatorn och tillbaka ut ur porten på den andra signallinjen. Den transienta strömmen som flyter genom transformatorns primärlindning inducerar en strömpuls i sekundärlindningen. När överspänningen har avlägsnats kommer den lagrade energin i transformatorn att överföras till det ställe där det ömtåliga fysiska lagret för GbE finns. Det är denna överförda energi som, i bästa fall, leder till förlorad data och störningar och, i värsta fall, till permanenta skador (figur 4).

Figur 4: En puls i differentialläge inducerar ström över den isolerande transformatorn vilket kan skada känsliga elektronikkretsar. (Bildkälla: Semtech)

Figur 4 visar att pulserna i differentialläge är de farligaste, eftersom det är de som utsätter det fysiska lagret i GbE för potentiellt skadliga spänningar. För att skydda mot dessa överspänningar behövs ytterligare skydd på sekundärsidan av den isolerande transformatorn.

Användning av TVS-dioder för överspänningsskydd

Skydd av PHY i GbE kräver enheter som kan isolera, blockera eller dämpa stora transienta energipulser. Ytterligare transformatorer kan isolera Ethernet-elektroniken helt och hållet, men de är skrymmande och kan vara dyra. Säkringar är en billig metod för att blockera, men de måste återställas eller bytas ut varje gång de löst ut. TVS-dioder är en bra kompromiss; de dämpar effektivt spänningstoppen till en säker nivå, behöver inte återställas, är kompakta och har ett rimligt pris.

Strukturellt sett är en TVS-diod en p-n-enhet som är särskilt utformad med en stor tvärsnittsarea för att absorbera stora transienter och höga spänningar. En TVS-diod har liknande spännings- och strömegenskaper som en zenerdiod, men TVS-dioden är utformad för spänningsdämpning snarare än spänningsreglering. En viktig fördel med TVS-dioden är den snabba responsen på transienter (vanligtvis inom endast några nanosekunder) – transientenergin avleds på ett säkert sätt till jord medan en konstant ”lås-spänning" bibehålls – jämfört med andra dämpande enheter (figur 5).

Figur 5: En TVS-diod skapar en väg till jord med låg impedans för transienter över en gränsvärdesnivå. Detta medför, att den skyddade kretsen endast utsätts för en säker spänning. (Bildkälla: Semtech)

I normal drift har TVS-dioden en hög impedans i kretsen för spänningar upp till dess arbetsspänning (V_RWM). När spänningen över enhetens anslutningar överskrider genombrottsspänningen (V_BR) sker en lavinbrytning i diodförbindelsen, vilket gör att den "slår tillbaka" eller växlar till ett aktiverat tillstånd med låg impedans. Spänningen sänks då till en låst nivå (V_C) när den transienta pulsen med maxström (I_PP) strömmar genom enheten. Den maximala spänning som den skyddade kretsen utsätts för är lika med V_C och är vanligtvis blygsam. När strömmen sjunker under hållströmmen (I_H) återgår TVS-dioden till ett inaktiverat tillstånd med hög impedans (figur 6 och tabell 1).

Figur 6: TVS-diodens driftsegenskaper. Vid genombrottsspänningen växlar komponenten till ett aktivt, lågimpedivt, tillstånd och sänker spänningen till en låst och säker nivå när den transienta toppströmmen passerar. (Bildkälla: Semtech)

Tabell 1: Definitioner för parametrar i figur 6. (Tabellkälla: Semtech)

TVS-dioder från välrenommerade tillverkare är utformade för att skydda gränssnitt och samtidigt uppfylla stränga immunitetsstandarder som beskrivs i dokument som IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) och IEC 61000-4-5 (blixtnedslag).

IEC 61000-4-5, som anger hur man testar immunitet mot överspänningar, innehåller uppgifter om den typiska vågform som används för att fastställa kapaciteten för TVS-dioden. Vågformen simulerar ett indirekt blixtnedslag och når 90 % av sitt toppströmsvärde (tp) på 8 µs och avtar till 50 % av sitt toppvärde på 20 µs. Datablad hänvisar ofta till detta som "vågformen 8/20 µs" och innehåller uppgifter om vågformens maximala toppulsström (I_PP) som skyddsanordningen tål. I databladen beskrivs även vanligtvis produktens svar på den tillhörande spänningstoppens vågform som orsakas av ett indirekt blixtnedslag på 1,2/50 µs (en övergående spänning som når sin toppspänning på 1,2 µs och avtar till 50 % av sitt toppvärde på 50 µs).

Den andra viktiga skyddsegenskapen för en TVS-diod är dess "tålighet mot elektrostatisk urladdning". Detta är den maximala spänningen för en elektrostatisk urladdning som skyddsanordningen kan tolerera utan att skadas och är vanligtvis i storleksordningen tiotals kV.

TVS-dioder för skydd av PHY i GbE

Förutom GbE finns TVS-dioder tillgängliga för skydd av en rad olika gränssnitt, inklusive HDMI, USB Type-C, RS-485 och DisplayPort. Men vart och ett av dessa gränssnitt kräver olika nivåer av skydd. Därför är det viktigt att TVS-dioden utformas för den specifika tillämpningen.

Semtech tillverkar till exempel en mängd olika TVS-dioder som är inriktade på skydd av gränssnitt för GbE. Enheterna tillverkas med hjälp av en processteknik som enligt Semtech leder till minskad läckström och kapacitans jämfört med andra processer för lavindioder av kisel . Ytterligare en fördel med produktserien är att den har en låg driftsspänning, från 3,3 till 5 V (beroende på version) för att spara energi.

Serien RailClamp innehåller exempelvis RCLAMP0512TQTCT som är lämplig för skydd av 2,5 GbE-gränssnitt. Denna enhet har en I_PP-kapacitet på 20 A (tp = 8/20 och 1,2/50 µs) och en toppulseffekt (P_PK) på 170 W. Spänningståligheten mot elektrostatisk urladdning är +/- 30 kV. V_BR är 9,2 V (typiskt), I_H är 150 mA (typiskt) och V_C är 5 V typiskt och 8,5 V maximalt (figur 7).

Figur 7: Egenskaperna för låsspänningen hos RCLAMP0512TQTCT vid en spänning på 1,2/50 µs och en strömpuls på 8/20 µs med en dämpning på maximalt 20 A. Efter en kortvarig topp stabiliseras låsspänningen till under 5 V, vilket skyddar det fysiska lagret i GbE. (Bildkälla: Semtech)

RCLAMP0512TQ är en kompakt enhet i en SGP1006N3T-kapsling med tre stift med måtten 1 x 0,6 x 0,4 mm.

Det finns andra produkter i serien RailClamp från Semtech som ger bättre skydd för tillämpningar med 1 GbE och används i potentiellt mycket farligare situationer. RCLAMP3374N.TCT har exempelvis en I_PP-kapacitet på 40 A (tp = 8/20 och 1,2/50 µs) och en P_PK på 1 kW. Spänningståligheten mot elektrostatisk urladdning är +/- 30 kV. V_C är 25 V (max) när I_PP = 40 A. Komponenten har måtten 3 x 2 x 0,60 mm.

RCLAMP3354S.TCT är hämtad ur RailClamp-sortimentets mellansegment. Den är lämplig för skydd av 1 GbE och har en I_PP-kapacitet på 25 A (tp = 8/20 och 1,2/50 µs) och en P_PK på 400 W. Spänningståligheten mot elektrostatisk urladdning är +/- 30 kV. V_C är 16 V (max) när I_PP = 25 A.

Konstruera in TVS-skyddsdioder

Figur 8 visar ett skyddssystem för PHY i GbE med RCLAMP0512TQTCT. Enheterna är placerade på PHY-sidan av transformatorn för att skydda mot överspänningar i differentiellt läge, med en enhet placerad över varje ledningspar för Ethernet. Differentialparen för Ethernet leds genom respektive TVS-diod via stift 1 och 2, där stift 3 inte är anslutet.

Figur 8: TVS-skyddsdioden är placerad transformatorsidan av PHY för Ethernets, över respektive differentiellt linjepar och så nära PHY-magnetismen som möjligt. (Bildkälla: Semtech)

Teknikern bör begränsa den parasitära induktansen i skyddsvägen genom att placera skyddskomponenten så nära PHY-magnetismen för Ethernet som möjligt, och helst på samma sida av kretskortet. Det underlättar om jordanslutningarna görs direkt till kretskortets jordplan med hjälp av microvia.

Minskningen av den parasitära induktansen är särskilt viktig för att dämpa transienter med snabb stigningstid. Induktans i skyddsanordningens väg ökar den V_C som den skyddade anordningen utsätts för. V_C är proportionell mot banans induktans gånger strömförändringshastigheten under dämpningen. Banans induktans kan exempelvis öka toppvärdet V_C redan vid 1 nH med 30 V för en elektrostatisk urladdningspuls på 30 A med en stigningstid på 1 ns.

Observera att den valda Ethernet-transformatorn måste klara av förväntade överspänningar utan att gå sönder. En typisk Ethernet-transformator kan klara några hundra ampere (tp = 8/20 µs) innan ett fel uppstår, men detta måste verifieras genom testning. Eller, om transformatorns pulsimmunitet är misstänkt, kan skyddskomponenten placeras på transformatorns linjesida. Nackdelen är att det extra skydd som transformatorn ger då går förlorad och GbE-systemets förmåga att motstå höga energiurladdningar blir begränsad till skyddsutrustningens kapacitet.

Sammanfattning

GbE är ett tillförlitligt och utbrett kommunikationssystem för höga hastigheter, men alla system som använder ledare är utsatta för transienter på grund av fenomen som blixtnedslag och elektrostatisk urladdning. Sådana överspänningar dämpas till viss del av GbE-portens transformator, common mode-drossel och termineringskrets, men överspänningar i differentialläge kan kringgå denna dämpning och skada Ethernets PHY-lager. Ytterligare skydd rekommenderas i viktiga system.

TVS-dioder är ett bra alternativ eftersom de effektivt sänker spänningstoppen till en säker nivå, inte behöver återställas, är kompakta samt har ett genomsnittligt pris. Det är lämpligt att noggrant anpassa skyddskomponenten till tillämpningen eftersom de finns i ett stort utbud av funktioner, inklusive skydd mot strömtoppar. Dessutom är det rekommenderat att man följer riktlinjerna för en god konstruktion, t.ex. placering och jordning, för att maximera skyddet av en given TVS-diod.