TVS二極體陣列在10GbE/1GbE 及 PoE應用中的設計保護方案

2021-01-18 電子工程專輯

乙太網是一種依據IEEE 802.3標準的區域網（LAN）技術。如今，市場上已經出現了四種主要形式的有線接入乙太網，其它類型還在開發中。這四種主要形式是：


10Base-T (10 Mbps, 帶寬信號，雙絞線)

100Base-T (100 Mbps, 帶寬信號，雙絞線)

1000Base-T or 1GbE (1000 Mbps, 帶寬信號，雙絞線)

10GbE (10 Gbps, 帶寬信號，雙絞線)

乙太網正越來越多地用在容易遭受過電壓的危險場合，例如靜電釋放（ESD）、群脈衝（EFT）、電纜放電（CDE）以及雷擊感應事件。這些過電壓和過電流事故在各種工業標準中均作了定義，例如：

10GbE和1GbE版本的乙太網對於任何線路負載的增加都十分敏感；因此任何保護元件和電路都必須仔細考慮以避免降低乙太網固有的數據高傳輸率和100米傳輸極限。

Littelfuse的SP4044和SP4045系列TVS（暫態電壓抑制器）二極體陣列（圖1）給電路設計者提供了針對10GbE或1GbE接口的小型化SMT（表面安裝技術）MSOP-10封裝的過電壓保護方案。


這些元件結合了無負載狀態低結電容與高抗浪湧能力的低動態阻抗的優點。低關斷結電容減小了有用信號的負面效應，低動態阻抗比其它的工業級保護方案具有更好的箝位值，超強的抗浪湧能力實現了第三級保護，這符合世界上大多數抗浪湧標準的要求。

圖1：Littelfuse的SP4044 & SP4045系列TVS二極體陣列(SPA® {矽保護陣列} 二極體)

SP4044-04ATG（用於乙太網，其PHY參考電壓≤2.8V）和SP4045-04ATG（用於乙太網，其PHY參考電壓≤3.3V）均可提供無需連通柱的穿通式的方案。這樣就能簡化印刷線路板的布線過程並減少印刷線路板上對連通柱導致的電磁幹擾（EMI）的擔心。連通柱會引起線路的平衡問題並導致輻射能量的增大，從而在運行中可能超過允許的電磁幹擾EMI輻射水平。這些印刷線路板的連通柱還會引起損壞原始信號的信號反射，導致數據傳輸速率和距離的降低。這些連通柱還會因為在保護元件與受保護迴路間增加的壓降而降低了電路保護元件的有效性。


這兩種過電壓保護元件的關態電容為1.5pF，其基於8/20μs衝擊電流波形（圖2）的抗浪湧能力是24A。這樣的關態電容與10GbE和1GbE寬帶信號均匹配且不會導致「眼」圖（圖3）閉合。眼圖是一種描述保護迴路負載效應對乙太網信號完整性影響的測試方法。這種測試要重複地對數位訊號取樣並在示波器上顯示獲得的眼圖。從下面的眼圖中可見通常用掩碼來描述允許的信號質量和匹配度。這種「眼」圖是一種測量乙太網信號完整性的方法。

圖4：使用兩組SP4045-04ATG TVS二極體陣列且符合PHY電壓≤3.3V乙太網的保護方案

圖4展示了一種符合所列標準中浪湧電壓威脅章節要求的全面方案。在原理圖的右側，靠近乙太網PHY（物理層器件）的地方，注意有兩個SP4045-04ATG箝位元件。系統裡需要有兩個這種穿通型元件，因為10GbE和1GbE版本的乙太網要用到全部8根CAT5e信號線。利用隔離變壓器會飽和的特性及其繞組間的電容參數來限制任何衝擊能量的耦合去提供第一層的保護。任何能突破變壓器阻擋的浪湧能量由SP4045-04ATG來限制，確保敏感的乙太網PHY集成電路受到保護。（如果乙太網PHY電壓≤2.8V，那麼可以用SP4044-04ATG來替代SP4045-04ATG）。


最好方案是用箝位元件，其關斷電壓要儘可能地接近（或大於）乙太網PHY Vcc電平。SP4044-04ATG/SP4045-04ATG TVS 二極體陣列 (0.220 Ω/0.3Ω)的低動態阻抗能比其它工業級保護元件提供更好地箝位動作，確保對乙太網PHY的高效保護。這些TVS二極體陣列給乙太網PHY提供了差模保護和共模保護。TVS接地必須與乙太網PHY的接地一樣。


為實現全面的乙太網解決方案，設計者常常需要針對有源乙太網（PoE）進行保護和過流安全保護。中心抽頭方案是實現傳輸與接收保護的有源乙太網的方法。SMDJ58CA是一種用於這些中心抽頭連接的雙向TVS二極體，因此就不需要額外的極性保護（二極體電橋）。針對浪湧衝擊要求較低且成本也較低的，可以考慮使用SMAJ58CA、SMBJ58CA、或SMCJ58CA。供電設備（PSE）末端只需要一個雙向TVS二極體，因為其模式是已知的。然而，取電的器件（PD）末端必須同時保護模式A和模式B的PoE（也稱之為選項A和選項B），所以需要兩個雙向TVS元件。如果不採用PoE，那麼可以去掉兩個100nF的電容器和兩個SMDJ58CA元件。


04611.25型TeleLink熔絲(F1-F8)能提供滿足GR-1089版本6、UL/EN/IEC 60950- 1和ITU K20/21/45基礎及加強版要求的過電流保護。對於10GbE和1GbE的連接，推薦在每根接線上都使用TeleLink熔絲，而不是只在每對數據線中的一根接線上使用一個熔絲。這有助於在這些高速接口間保持線路平衡。熔絲有固有的電感值：因此在每條接線上必須裝一個熔絲來保持每對線路的差動分平衡。


本應用筆記回顧了一個用於乙太網接口的完整保護方案。提到了：

1) 雷擊浪湧

2) ESD

3) CDE

4) EFT

5) 電源故障事件

本應用指導首先專注於通過低電容的箝位TVS二極體陣列方案(SP4044/4045-04)來解決乙太網數據接口面臨的ESD/EFT/CDE/雷擊感應浪湧。文中還探討了中心抽頭連接的PoE接口所面臨的潛在問題並提供了基於DO214 SMT SMXJ58CA和SMxJ58A的解決方案。與最終安全相關的過電流問題通過使用TeleLink熔絲來加以闡明，它可以在電源故障發生時保護雙絞線。Littelfuse在全球的實驗室都有能力幫助我們的客戶來設計出符合世界標準、規則和推薦意見的合適的保護方案。我們邀請客戶在進行應用設計時採納我們的幫助。如需進一步信息，請瀏覽我們的網站：www.littelfuse.com。

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