Slik konstrueres TVS-dioder for å beskytte Gigabit Ethernet mot transiente spennings- og strømstøt

Gigabit Ethernet (GbE) er et robust kommunikasjonssystem med høy hastighet som er i utstrakt bruk på tvers av innenlandske, kommersielle og industrielle lokaler. Ethernet-systemer byr imidlertid på utfordringer, spesielt når konnektivitet strekker seg utover bygningen. Utvidede linjer kan utsettes for uventet høye transientspenninger og -strømmer, og elektrostatiske utladninger (ESD – electrostatic discharge) er en pågående risiko.

GbE PHY (PHY – physical layer – fysisk lag) inkluderer noen komponenter som gir en grad av beskyttelse, for eksempel isolasjonstransformatoren. Den innebygde dempingen av transientspenning kan imidlertid ikke brukes til å gi beskyttelse under alle omstendigheter.

TVS-dioder (TVS – transient voltage suppression – demping av transientspenning) er en utprøvd, billig og robust kretsbeskyttelsesanordning i konstruksjoner med begrenset plass og kostnadsbegrensninger som GbE. Under normal drift ser enhetene gjennomsiktige ut. Likevel må enhetene beskytte flere kommunikasjonskanaler mot støtstrøm på opptil 40 ampere (A) og ESD på opptil 30 kilovolt (kV), og opprettholde lav driftskapasitet ved normal bruk for å sikre signalintegritet med høy hastighet.

Denne artikkelen beskriver konstruksjonsutfordringene rundt høyspente GbE-transienter og ESD-beskyttelse, og ser deretter på de unike egenskapene til TVS-dioder som kreves for energidempning. Artikkelen beskriver deretter noen kommersielle løsninger på problemet, for så å vise hvordan de valgte enhetene kan tilpasses systemer for transientbeskyttelse i henhold til standarder som IEC 61000-4-2, -4 og -5.

Farene ved virkningene til transientspenninger

GbE er et kablet kommunikasjonssystem med høy hastighet. Kobberforbindelser bærer differensialsignalene som representerer «nullene» og «ett-tallene» som utgjør den digitale signalstrømmen. Denne kobberledningen er imidlertid den perfekte transportmekanismen for høye transientspenninger og ESD-hendelser som er i stand til å skade silisiumkretselementer (figur 1).

Figur 1: Uten beskyttelse kan GbE PHY ødelegges av høye transientspenninger og ESD. (Bildekilde: Semtech)

Konstruksjonen av GbE PHY inkluderer en viss grad av beskyttelse gjennom isolasjonstransformatoren. GbE-spesifikasjonen (IEEE 802.3) krever en minimum isolasjonsklassifisering på 2,1 kV. De fleste kommersielle transformatorer tilbyr isolasjon på 4 til 8 kV. Videre inkluderer GbE-grensesnitt vanligvis en fellesmodus-drossel (CMC – common mode choke), en induktor som brukes til å blokkere høyfrekvent vekselstrøm for å bidra til å redusere ESD-spisser. En endelig grad av beskyttelse kommer fra «Bob Smith»-termineringen. Denne bruker en motstand på 75 ohm (Ω) for å implementere en fellesmodus-impedanstilpasning for signalpar som kollektivt er tilkoblet via en kondensator til jord. Termineringen kan bidra til å redusere fellesmodus-utslippene som vi vil ta for oss senere (figur 2).

Figur 2: GbE PHY inkluderer integrert beskyttelse mot transientspenninger, deriblant en isolasjonstransformator, en fellesmodus-drossel og en motstandstermineringskrets. (Bildekilde: Semtech)

Det er risikabelt å gjøre seg avhengig av GbE PHY-isolasjonstransformatoren, CMC-en og termineringskretsen for å gi omfattende beskyttelse. Selv om komponentene gir en viss reduksjon i transientspenningen, er det flere omstendigheter som gjør porten utsatt for skade.

GbE-transientspenningsutslag kan klassifiseres som enten fellesmodus eller differensialmodus. Under en fellesmodus-spenningstransient stiger alle GbE PHY-lederne umiddelbart til samme spenning relativt til jord. Fordi alle ledere har samme potensial, er det ingen strømoverføring fra én leder til en annen. I stedet flyter strømmen gjennom til jord. En vanlig bane for strømflyten er gjennom lederen til jord via transformatorens senteruttak og gjennom termineringskretsen (figur 3).

Figur 3: En fellesmodusstrøm med høy transientspenning strømmer gjennom RJ-45-kontakten til jord via isolasjonstransformatorens senteruttak. (Bildekilde: Semtech)

Strømstøtet i differensialmodus er annerledes. Strømflyten går inn i GbE-porten på én signallinje for differensialparet, gjennom transformatoren og tilbake ut av porten på den andre signallinjen. Den transiente strømflyten gjennom transformatorens hovedvikling, induserer et strømstøt i sekundærviklingen. Når strømstøtet er fjernet, vil den lagrede energien i transformatoren overføres til der det skjøre GbE PHY-et befinner seg. Det er denne overførte energien som, i beste fall, resulterer i tapte data og feil og, i verste fall, fører til permanent skade (figur 4).

Figur 4: Et strømstøt i differensialmodus induserer strøm på tvers av den isolerende transformatoren, noe som kan skade følsomme elektroniske kretser. (Bildekilde: Semtech)

Figur 4 viser at strømstøt i differensialmodus er farligst siden det er dette som utsetter GbE PHY-et for potensielt skadelige spenninger. Ytterligere beskyttelse er nødvendig på sekundærsiden til den isolerende transformatoren for å beskytte mot disse strømstøtene.

Bruke TVS-dioder som beskyttelse mot strømstøt

Beskyttelse av GbE PHY-et krever enheter som kan isolere, blokkere eller dempe de store transientenergipulsene. Ekstra transformatorer kan fullstendig isolere Ethernet-elektronikk, men disse er store og kan være dyre. Sikringer er en billig måte å blokkere på, men de må tilbakestilles eller byttes ut etter hver utløsende hendelse. TVS-dioder er et godt kompromiss. De undertrykker effektivt transientspenningen til et trygt nivå, krever ikke tilbakestilling, er kompakte og er relativt billige.

Strukturelt sett er en TVS-diode en p-n-enhet som er spesialkonstruert med et stort koblingspunkt-tverrsnittsområde for å absorbere høye transientstrømstøt og -spenninger. Selv om spennings-/strømegenskapene til en TVS-diode ligner en zenerdiode, er enhetene konstruert for spenningsdemping i stedet for spenningsregulering. En viktig fordel med en TVS-diode er den raske responsen (vanligvis innen nanosekunder) den har til elektriske transienter – som avleder energien til transienten trygt til jord, samtidig som den opprettholder en konstant begrensningsspenning – sammenlignet med andre dempende enheter (figur 5).

Figur 5: En TVS-diode gir en lavimpedansbane til jord for transientspenninger over et terskelnivå. Som et resultat er den beskyttede kretsen kun utsatt for en trygg spenning. (Bildekilde: Semtech)

Under normal drift fremviser TVS-dioden en høy impedans til kretsen for spenninger på opptil arbeidsspenningen (V_RWM). Når spenningen på tvers av enhetens terminaler overskrider gjennombruddsspenningen (V_BR), oppstår det avalanche-gjennombrudd i diodens koblingspunkt, noe som fører til at den «snepper tilbake» eller bytter til på-tilstand med lav impedans. Dette reduserer spenningen til et begrenset nivå (V_C) når den transiente toppulsstrømmen (I_PP) strømmer gjennom enheten. Den maksimale spenningen som den beskyttede kretsen er utsatt for, er lik V_C og er vanligvis beskjeden. Når strømmen avtar under holdestrømmen (I_H), går TVS-dioden tilbake til en av-tilstand med høy impedans (figur 6 og tabell 1).

Figur 6: Driftsegenskaper for TVS-dioden. Ved gjennombruddsspenningen bytter komponenten til en på-tilstand med lav impedans og reduserer spenningen til et sikkert begrenset nivå når den transiente spisstrømmen passerer. (Bildekilde: Semtech)

Tabell 1: Parameterdefinisjoner for figur 6. (Tabellkilde: Semtech)

TVS-dioder fra anerkjente produsenter er konstruert for å beskytte grensesnitt, samtidig som de oppfyller strenge immunitetsstandarder som er beskrevet i dokumenter som IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) og IEC 61000-4-5 (lightning – lyn).

IEC 61000-4-5, som spesifiserer hvordan man tester for immunitet mot strømstøt, gir detaljer om den typiske strømstøtbølgeformen som brukes til å fastsette egenskapene til en TVS-diode. Bølgeformen simulerer et indirekte lynnedslag, og oppnår 90 % av spenningstoppverdien (tp) i løpet av 8 mikrosekunder (µs) og svekkes til 50 % av toppverdien i løpet av 20 µs. Datablader refererer ofte til dette som «8/20 µs bølgeform», og gir detaljer om bølgeformens maksimale toppulsstrøm (I_PP) som beskyttelsesenheten kan tåle. Datablader beskriver også vanligvis produktets respons på den tilknyttede spenningsstøt-bølgeformen forårsaket av et indirekte lynnedslag på 1,2/50 µs (et transient strømstøt som når sin toppspenning i løpet av 1,2 µs og svekkes til 50 % av sin toppverdi i løpet av 50 µs).

Den andre viktige beskyttende egenskapen til en TVS-diode, er «ESD-holdespenningen». Dette er den maksimale utladningsspenningen for statisk elektrisitet som beskyttelsesenheten kan tolerere uten å ta skade, og ligger vanligvis i en størrelsesorden på noen titalls kV.

TVS-dioder for GbE PHY-beskyttelse

I tillegg til GbE, er TVS-dioder tilgjengelige for beskyttelse av en rekke grensesnitt, deriblant HDMI, USB Type-C, RS-485 og DisplayPort. Hvert av disse grensesnittene krever imidlertid subtilt forskjellige beskyttelsesnivåer. Det er derfor viktig at TVS-dioden konstrueres for det bestemte bruksområdet.

Semtech, for eksempel, lager en rekke TV-dioder ment for GbE-grensesnittbeskyttelse. Enhetene er produsert ved hjelp av en prosessteknologi som Semtech sier resulterer i reduksjoner i lekkasjestrøm og kapasitans sammenlignet med andre silisium-avalanche-diodeprosesser. En ytterligere fordel med produktutvalget er at det har en lav driftsspenning, fra 3,3 til 5 volt (avhengig av versjonen), for å spare energi.

For eksempel kommer RailClamp-serien med RCLAMP0512TQTCT, som er egnet for 2,5 GbE-grensesnittbeskyttelse. Denne enheten har en I_PP-kapasitet på 20 ampere (A) (tp = 8/20 og 1,2/50 µs) og en toppulseffekt (P_PK) på 170 watt. ESD-holdespenningen er +/-30 kV. V_BR er 9,2 volt (typ.), I_H er 150 milliampere (mA) (typ.) og V_C er 5 volt (typ.) og 8,5 volt maksimum (figur 7).

Figur 7: Begrensningsspenning-egenskapene til RCLAMP0512TQTCT når den utsettes for 1,2/50 µs-spenningsstøt og 8/20 µs-strømstøt på opptil 20 A. Etter en kortvarig topp, stabiliseres begrensningsspenningen til under 5 volt, noe som beskytter GbE PHY. (Bildekilde: Semtech)

RCLAMP0512TQ er en kompakt enhet i en 3-pinners SGP1006N3T-kapsling som måler 1,0 x 0,6 x 0,4 millimeter (mm).

Det er andre produkter i Semtech RailClamp-serien som gir bedre beskyttelse for 1 GbE-konstruksjoner som brukes i situasjoner som potensielt er mer farlige. RCLAMP3374N.TCT har for eksempel en I_PP-kapasitet på 40 A (tp = 8/20 og 1,2/50 µs) og en P_PK på 1 kilowatt (kW). ESD-holdespenningen 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.

RCLAMP3354S.TCT er mellomklasse-enheten i RailClamp-utvalget. Denne er egnet for 1 GbE-beskyttelse og tilbyr en I_PP-kapasitet på 25 A (tp = 8/20 og 1,2/50 µs) og en P_PK på 400 watt. ESD-holdespenningen er +/-30 kV. V_C er 16 volt (maks.) når I_PP = 25 A.

Konstruksjon av TVS-diodebeskyttelse

Figur 8 viser et GbE PHY-beskyttelsesskjema som bruker RCLAMP0512TQTCT. Enhetene er plassert på PHY-siden til transformatoren for å beskytte mot strømstøt i differensialmodus, der én enhet er plassert på tvers av hvert Ethernet-linjepar. Ethernet-differensialparene rutes gjennom hver TVS-diodekomponent ved pinne 1 og pinne 2. Pinne 3 er ikke tilkoblet.

Figur 8: Komponentene for TVS-diodebeskyttelse er plassert på Ethernet PHY-siden til transformatorene, på tvers av hvert differensiallinjepar og så nær PHY-magnetikken som mulig. (Bildekilde: Semtech)

Teknikeren bør begrense parasittinduktans i beskyttelsesbanen ved å plassere beskyttelseskomponenten så fysisk nær Ethernet PHY-magnetikken som mulig, og fortrinnsvis på samme side på kretskortet. Det hjelper også hvis jordforbindelser gjøres direkte til kretskortets jordplan ved hjelp av mikrobaner (microvias).

Reduksjonen av parasittinduktans er spesielt viktig for å dempe transienter med rask stigningstid. Induktansen i beskyttelsesenhetens bane øker V_C, som den beskyttede enheten er utsatt for. V_C er proporsjonal med baneinduktansen ganger strømendringshastigheten under strømstøtet. For eksempel kan en baneinduktans på bare 1 nanohenry (nH) øke toppen V_C med 30 volt for en 30 A ESD-puls med en stigehastighet på 1 nanosekund (ns).

Vær oppmerksom på at den valgte Ethernet-transformatoren må kunne overleve forventede strømstøt uten feil. En typisk Ethernet-transformator kan tåle noen få hundre ampere (tp = 8/20 µs) før feil oppstår, men dette må bekreftes via testing. Hvis strømstøtimmuniteten til transformatoren er tvilsom, kan beskyttelseskomponenten plasseres på linjesiden til transformatoren. Ulempen er at den ekstra beskyttelsen som tilbys av transformatoren da går tapt, og GbE-systemets evne til å motstå strømstøt med høy energi da bare er begrenset av kapasiteten til beskyttelsesenheten.

Konklusjon

GbE er et pålitelig og utbredt kommunikasjonssystem med høy hastighet, men alle systemer som bruker ledere er utsatt for transienter på grunn av fenomener som lyn og ESD. Slike overspenninger reduseres til en viss grad av GbE-portens transformator, CMC-en og termineringskretsen, men strømstøt i differensialmodus kan omgå denne dempingen og skade Ethernet PHY-en. Ekstra beskyttelse anbefales for kritiske systemer.

TVS-dioder er et godt alternativ fordi de undertrykker effektivt spisstransientspenningen til et trygt nivå, krever ikke tilbakestilling, er kompakte og har medium prisnivå. Det anbefales at beskyttelseskomponenten tilpasses nøye til konstruksjonen, ettersom de er tilgjengelige i et bredt utvalg av funksjoner, inkludert spenningstoppbeskyttelse. I tillegg anbefales overholdelse av gode konstruksjonsretningslinjer, for eksempel posisjonering og jording, for å maksimere beskyttelsen av en gitt TVS-diode.