導讀：在許多情況下，設計人員為了保持設備的可靠性，主要針對四種主要威脅而采取保護：雷電感應浪涌、ESD，即靜電放電、EFT，即電氣快速瞬變、CDE，即電纜放電事件。電路板設計人員通常使用TVS二極管陣列來為以太網端口提供保護，本文將針對各個威脅提出最佳的保護設計。
圖1 使用TVS二極管陣列為以太網介面提供二階段式防雷保護
了解威脅
雷電感應浪涌：根據所遵循的標準或者規則，雷擊浪涌可以是差模或是具有不同波形的共模。在差模中，測試設備的正極端子和負極端子之間連接著兩個導體或引腳(即J1和J2)，因此在RJ-45端口上進入的能量只在這兩個導體之間出現(見圖2)。該能量將在線路側的保護器件(這里顯示的是Littelfuse公司的SP03系列硅保護陣列)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該例所示的Tx+和Tx-數據線之間造成差分事件。
圖2 以太網介面的差模和共模測試設置(僅用于快速以太網)
對于共模測試，個別導體或數據線自身將對GND進行測試。測試設備的正極端將連接到所有的導體或引腳(即J1、J2、J3和J6)，負極端連接到GND(見圖2)。在這種情況下，假設線路阻抗緊密匹配，在SP03器件上消散的能量將非常地少。大部分能量將通過變壓器的磁性材料電容性耦合至變壓器的驅動端，變為以太網PHY的共模事件。
靜電放電(ESD)：評估設備的ESD抗擾性(按照IEC 61000-4-2標準)可以通過接觸或空氣放電進行。注入ESD有多種方法，但是在所有情況下，由于釋放的能量關系到GND，ESD脈沖在電路上是以共模事件出現的。
電氣快速瞬變(EFT)：檢查設備的EFT抗擾性(按照IEC 61000-4-4標準)與對共模雷擊浪涌所做的測試非常相似。在圖3所示的比較典型的配置中，所有導體(或引腳)均電容性耦合至測試發生器的正極端，且對于GND顯示“激增”。如果數據線均衡良好，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，即使是以較低的水平。
圖3 以太網介面的典型EFT測試設置(僅用于快速以太網)
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電纜放電事件(CDE)
電纜放電事件(CDE)：CDE是一種應該與靜電放電(ESD)加以區分并作單獨考慮的現象。雙絞電纜的特點和其環境的知識在了解CDE上起著重要的作用。頻繁變化的電纜環境還增加了在防止CDE損害上的挑戰。系統設計人員通過良好的布局做法和精心的元件選擇可以最大限度地進行CDE保護。IEEE 802.3標準規定了2250VDC和1500VAC的隔離電壓，以防止可能由源自CDE事件的高電壓導致的連接器故障。為了防止這些事件中的電弧作用，這些隔離要求適用于RJ-45連接器以及隔離變壓器。為了防止電路板上的介電故障和火花產生，線路側印刷電路板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2000V的瞬態電壓，FR4電路板跡線間距應該有至少250mil的分隔距離。UTP電纜放電事件所產生的電壓可高達幾千伏，并具有極大的破壞性。電荷累積主要源自于兩方面：摩擦電(摩擦)效應和電磁感應效應。
在尼龍地毯上拉一條PVC包覆的CAT5 UTP電纜，會導致在電纜上的電荷積聚，從而產生這些效應。同樣，在從導線管拉出電纜或在其他網絡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時類似。電荷積聚僅當電纜未連接以及電荷未能得到及時耗散時發生(即電纜的兩端都沒有插入系統)。此外，要造成實質性損害，累積的電荷還需要得到保存。新的CAT5和CAT6電纜具有非常低的介電泄漏，且傾向于長時間留存電荷。在相對濕度較低的環境下，電荷留存時間會增加。當帶電的UTP電纜插入到RJ-45網絡端口時，有多種可能的放電路徑。瞬態電流流經的是最低電感路徑。這條路徑可能是在RJ-45連接器上、在印刷電路板(PCB)的兩個跡線之間、在變壓器中，或是穿過鮑勃史密斯AC終端或者穿過硅器件。取決于電纜的長度，累積的電荷可能是一個典型ESD模型電荷的幾百倍。
這種緊接著發生的高能量放電可能會損壞連接器、變壓器電路或者以太網收發器。雙絞線電纜的作用相當于一個存儲電荷的電容。有研究表明，在未連接的雙絞電纜上會積聚數百伏的電荷。此外，一根完全放電的電纜可以在一個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將超過24小時。圖4中說明了不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況。由于較長的電纜具有存儲更多電荷的能力，對于具有超過60米長度電纜的系統應當采取額外的CDE防范措施。
電纜放電事件(CDE)
電纜放電事件(CDE)：CDE是一種應該與靜電放電(ESD)加以區分并作單獨考慮的現象。雙絞電纜的特點和其環境的知識在了解CDE上起著重要的作用。頻繁變化的電纜環境還增加了在防止CDE損害上的挑戰。系統設計人員通過良好的布局做法和精心的元件選擇可以最大限度地進行CDE保護。IEEE 802.3標準規定了2250VDC和1500VAC的隔離電壓，以防止可能由源自CDE事件的高電壓導致的連接器故障。為了防止這些事件中的電弧作用，這些隔離要求適用于RJ-45連接器以及隔離變壓器。為了防止電路板上的介電故障和火花產生，線路側印刷電路板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2000V的瞬態電壓，FR4電路板跡線間距應該有至少250mil的分隔距離。UTP電纜放電事件所產生的電壓可高達幾千伏，并具有極大的破壞性。電荷累積主要源自于兩方面：摩擦電(摩擦)效應和電磁感應效應。
在尼龍地毯上拉一條PVC包覆的CAT5 UTP電纜，會導致在電纜上的電荷積聚，從而產生這些效應。同樣，在從導線管拉出電纜或在其他網絡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時類似。電荷積聚僅當電纜未連接以及電荷未能得到及時耗散時發生(即電纜的兩端都沒有插入系統)。此外，要造成實質性損害，累積的電荷還需要得到保存。新的CAT5和CAT6電纜具有非常低的介電泄漏，且傾向于長時間留存電荷。在相對濕度較低的環境下，電荷留存時間會增加。當帶電的UTP電纜插入到RJ-45網絡端口時，有多種可能的放電路徑。瞬態電流流經的是最低電感路徑。這條路徑可能是在RJ-45連接器上、在印刷電路板(PCB)的兩個跡線之間、在變壓器中，或是穿過鮑勃史密斯AC終端或者穿過硅器件。取決于電纜的長度，累積的電荷可能是一個典型ESD模型電荷的幾百倍。
這種緊接著發生的高能量放電可能會損壞連接器、變壓器電路或者以太網收發器。雙絞線電纜的作用相當于一個存儲電荷的電容。有研究表明，在未連接的雙絞電纜上會積聚數百伏的電荷。此外，一根完全放電的電纜可以在一個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將超過24小時。圖4中說明了不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況。由于較長的電纜具有存儲更多電荷的能力，對于具有超過60米長度電纜的系統應當采取額外的CDE防范措施。
圖4 不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況
另一個需要了解的因素是CDE波形。由于它不同于前面所論述的任何一種威脅，根據耦合機制的不同，它可以是差模的也可以是共模的。此外，經初步研究表明，它具有大幅度變化的特點，但總體而言，CDE波形具有高能量且同時顯示了電壓和電流驅動。這種波形在幾百納秒的時間內散布，帶有快速的極性倒轉。
圖5顯示的是一個破壞性CDE波形的例子。它在25英尺雙絞電纜被充電至1.5kV后，出現在以太網PHY的發送器引腳上。隨著事件期間600ns時間的推移，在差分波形上可以看到從正電壓到負電壓有64.8V的變化。在這個試驗中，該PHY的發射器被破壞，無法在網絡上傳輸數據包。
圖5 在25英尺雙絞電纜被充電至1.5千伏后, 在以太網PHY中顯示多種CDE放電波形
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理想的器件配置
為符合IEE802.3標準對于隔離的要求，任何線路側保護器件(在這個例子中為SP03)的GND引腳(2、3、6和7)不能連接至GND。因此，設計人員別無他法，只能將該器件作為一種“僅為差模”的保護器(注：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)。
應保證PHY或者驅動端器件的I/O引腳始終連接至差分線對，如圖1所示。然而，不同于線路側保護器件，這種器件的GND引腳可以連接至本地GND平面(建議采用這種配置)。如果GND引腳沒有連接，那么保護器件(在這個例子中為SP3050)將會成為一種僅為差模的保護器，并且可能會使破壞性共模事件通過未鉗制的PHY。此外，應該注意，即使GND引腳已經連接，一旦電壓差超過內部TVS擊穿電壓加上兩個二極管的電壓降，該器件將仍會起到保護作用，防止差分事件。
至于在大多數TVS二極管陣列中常見的剩下的這個引腳5(VCC)，建議將其連接至本地電源(如5V、3.3V電源)(注意：應該確保保護器件的對峙電壓(VRWM)遠高于電源電壓，以防止激活或是打開內部TVS二極管。)
通過連接SP3050器件的VCC引腳，由于電氣瞬變將會流經兩條獨立的放電路徑(如圖6中紅色所示)，設計人員將可以獲得更好的整體鉗位。它可以簡單地被認為是一個電阻分壓器，瞬變通過控向二極管進入，并流經兩條路徑：一條由內部TVS至GND，另一條通過電源或外部旁路電容至GND。總而言之，將引腳5連接至電源會帶來更好的鉗位性能，為以太網PHY提供更好的整體保護。
理想的器件配置
為符合IEE802.3標準對于隔離的要求，任何線路側保護器件(在這個例子中為SP03)的GND引腳(2、3、6和7)不能連接至GND。因此，設計人員別無他法，只能將該器件作為一種“僅為差模”的保護器(注：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)。
應保證PHY或者驅動端器件的I/O引腳始終連接至差分線對，如圖1所示。然而，不同于線路側保護器件，這種器件的GND引腳可以連接至本地GND平面(建議采用這種配置)。如果GND引腳沒有連接，那么保護器件(在這個例子中為SP3050)將會成為一種僅為差模的保護器，并且可能會使破壞性共模事件通過未鉗制的PHY。此外，應該注意，即使GND引腳已經連接，一旦電壓差超過內部TVS擊穿電壓加上兩個二極管的電壓降，該器件將仍會起到保護作用，防止差分事件。
至于在大多數TVS二極管陣列中常見的剩下的這個引腳5(VCC)，建議將其連接至本地電源(如5V、3.3V電源)(注意：應該確保保護器件的對峙電壓(VRWM)遠高于電源電壓，以防止激活或是打開內部TVS二極管。)
通過連接SP3050器件的VCC引腳，由于電氣瞬變將會流經兩條獨立的放電路徑(如圖6中紅色所示)，設計人員將可以獲得更好的整體鉗位。它可以簡單地被認為是一個電阻分壓器，瞬變通過控向二極管進入，并流經兩條路徑：一條由內部TVS至GND，另一條通過電源或外部旁路電容至GND。總而言之，將引腳5連接至電源會帶來更好的鉗位性能，為以太網PHY提供更好的整體保護。
圖6 電流進入TVS二極管陣列和引腳以帶來最佳化的鉗位性能
偏置該VCC引腳的另一個好處是它可以降低從I/O到GND的電容，這與使其保持浮動或不進行連接是完全不同的。應該參考用于保護以太網PHY的特定器件的數據手冊，以為設計人員提供這個將部分依賴于VCC偏置電平的電容。圖7是SP3050的圖示。
圖7 TVS二極管陣列電容與偏壓
線路側保護元件僅限于差模事件保護，但是驅動端或PHY側保護器件應被連接至GND和本地電源。這將能提供最好的鉗位性能，并最大限度地提高以太網端口的可靠性。
在使用TVS二極管陣列來進行以太網端口保護時，設計人員應始終對其試圖防止的威脅保持警惕。在大多數情況下，這些威脅是差模事件和共模事件的組合，當保護器件正確連接時，這些事件都能得到有效鉗制。
