Jak do návrhu začlenit TVS diody k ochraně gigabitového ethernetu před napěťovými a proudovými přechodovými jevy

Gigabitový ethernet (GbE) je robustní vysokorychlostní komunikační systém široce používaný v domácích, komerčních a průmyslových prostorech. Ethernetové systémy však představují výzvu, zvláště když konektivita přesahuje budovu. Delší vedení mohou být vystavena neočekávaným vysokým přechodovým napětím a proudům a elektrostatické výboje (ESD) představují trvalé riziko.

Fyzická vrstva („physical layer“, PHY) GbE obsahuje některé komponenty, které poskytují určitý stupeň ochrany, jako je oddělovací transformátor. Nelze se však spolehnout, že vestavěná ochrana proti přechodovému napětí nabídne ochranu za všech okolností.

Osvědčeným, levným a robustním zařízením na ochranu obvodů v prostorově a nákladově omezených aplikacích, jako je GbE, jsou diody pro potlačení přechodového napětí (TVS). Za normálního provozu se tato zařízení zdají být neviditelná. Přesto musí zařízení chránit mnoho komunikačních kanálů před rázovými proudy až 40 A a ESD až 30 kV a udržovat při normálním používání nízkou zátěžnou kapacitu, aby byla zajištěna integrita vysokorychlostního signálu.

V tomto článku jsou popsány konstrukční výzvy, které představují ochranu před přechodovým vysokým napětím GbE a ESD, a poté je zde pojednáno o jedinečných charakteristikách TVS diod potřebných k potlačení energie. V článku jsou poté popsána některá komerční řešení problému a poté ukázáno, jak navrhnout vybraná zařízení do systémů s ochranou před přechodovými jevy podle norem, jako jsou IEC 61000-4-2, -4 a -5.

Nebezpečí způsobená přechodovými napěťovými jevy

GbE je kabelový vysokorychlostní komunikační systém. Měděné spoje přenášejí diferenciální signály, které představují „nuly“ a „jedničky“ tvořící tok digitálního signálu. Tento měděný drát je však také dokonalým transportním mechanismem pro vysoká přechodová napětí a události ESD, které by mohly poškodit prvky křemíkového obvodu (obrázek 1).

Obrázek 1: Bez ochrany mohou být PHY GbE zničeny vysokým přechodovým napětím a ESD. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Konstrukce PHY GbE zahrnuje určitý stupeň ochrany pomocí oddělovacího transformátoru. Specifikace GbE (IEEE 802.3) vyžaduje minimální izolační hodnotu 2,1 kV. Většina komerčních transformátorů nabízí izolaci 4 až 8 kV. Rozhraní GbE navíc typicky zahrnují tlumivku souhlasného napětí („common mode choke“, CMC), induktor používaný k blokování vysokofrekvenčního střídavého proudu, který pomáhá snižovat špičky ESD. Konečný stupeň ochrany poskytuje zakončení typu „Bob Smith“. To k implementaci přizpůsobení impedance souhlasného napětí pro signálové páry společně připojené přes kondenzátor k zemi využívá 75ohmový rezistor. Zakončení může pomoci snížit emise souhlasného napětí, o kterých bude řeč později (obrázek 2).

Obrázek 2: Fyzická vrstva GbE obsahuje určitou vestavěnou ochranu proti přechodovým napětím, včetně oddělovacího transformátoru, tlumivky souhlasného napětí a zakončovacího obvodu rezistoru. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Spoléhat se při komplexní ochraně na oddělovací transformátor PHY GbE, CMC a zakončovací obvod je riskantní. I když komponenty nabízejí určité zmírnění přechodového napětí, existuje několik okolností, kdy je port vystaven poškození.

Výkyvy přechodového napětí GbE lze v podstatě rozdělit na souhlasný nebo diferenciální režim. Všechny vodiče PHY GbE během přechodu souhlasného napětí okamžitě stoupnou na stejné napětí vůči zemi. Protože všechny vodiče mají stejný potenciál, nedochází k přenosu proudu z jednoho vodiče na druhý. Místo toho protéká proud do země. Souhlasná cesta pro tok proudu je přes vodič do země přes středovou odbočku transformátoru a přes zakončovací obvod (obrázek 3).

Obrázek 3: Souhlasný proud vysokého přechodového napětí protéká konektorem RJ-45 do země přes středovou odbočku oddělovacího transformátoru. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Ráz v diferenciálním režimu je jiný. Proud protéká do portu GbE na jedné lince signálu diferenciálního páru přes transformátor a zpět z portu na druhé lince signálu. Přechodový proud protékající primárním vinutím transformátoru indukuje nárazový proud v sekundárním vinutí. Po odstranění rázu se energie uložená v transformátoru přenese do místa, kde se nachází křehká PHY GbE. Právě tato přenesená energie má v nejlepším případě za následek ztrátu dat a závady a v nejhorším případě vede k trvalému poškození (obrázek 4).

Obrázek 4: Ráz diferenciálního režimu indukuje proud přes oddělovací transformátor, který může poškodit citlivé elektronické obvody. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Obrázek 4 ukazuje, že rázová vlna je v diferenciálním režimu nejnebezpečnější, protože vystavuje PHY GbE potenciálně škodlivým napětím. Na sekundární straně oddělovacího transformátoru je nutná dodatečná ochrana pro ochranu před těmito rázovými vlnami.

Použití TVS diod k ochraně proti rázům

Ochrana PHY GbE vyžaduje zařízení, která dokážou izolovat, blokovat nebo potlačit velké přechodné energetické impulzy. Doplňkové transformátory mohou plně izolovat elektroniku ethernetu, ale jsou objemné a mohou být drahé. Pojistky představují levný způsob blokování, ale musí být resetovány nebo vyměněny po každé události vypnutí. TVS diody jsou dobrým kompromisem – účinně potlačují špičkové přechodové napětí na bezpečnou úroveň, nevyžadují resetování, jsou kompaktní a za rozumnou cenu.

Konstrukčně je TVS dioda zařízení p-n navržené speciálně s velkým průřezem přechodu, aby absorbovalo vysoké přechodové proudy a napětí. Zatímco charakteristiky napětí/proudu TVS diody se podobají Zenerově diodě, tato zařízení jsou navržena spíše k potlačení napětí než k jeho regulaci. Ve srovnání s jinými tlumicími zařízeními je klíčovou výhodou TVS diody její rychlá odezva (obvykle v řádu nanosekund) na elektrické přechodové jevy – bezpečně odvádí energii přechodového jevu do země při zachování konstantního „omezovacího“ napětí (obrázek 5).

Obrázek 5: TVS dioda poskytuje pro přechodová napětí nad prahovou úrovní nízkoimpedanční cestu k zemi. V důsledku toho je chráněný obvod vystaven pouze bezpečnému napětí. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Za normálního provozu představuje TVS dioda pro napětí až do svého pracovního napětí (V_RWM) vysokou impedanci do obvodu. Když napětí na svorkách zařízení překročí průrazné napětí (V_BR), dojde v přechodu diody k lavinovému průrazu, který způsobí její vrácení do původního stavu („snap-back“) nebo přepnutí do zapnutého stavu s nízkou impedancí. Tím se při protékání přechodového špičkového pulzního proudu (I_PP) sníží napětí na omezenou úroveň (V_C). Maximální napětí, kterému je chráněný obvod vystaven, se rovná V_C a je obvykle mírné. Jakmile proud klesne pod přídržný proud (I_H), TVS dioda se vrátí do vypnutého stavu s vysokou impedancí (obrázek 6 a tabulka 1).

Obrázek 6: Provozní charakteristiky TVS diody. Při průrazném napětí se komponenta přepne do zapnutého stavu s nízkou impedancí a při průchodu přechodového špičkového proudu sníží napětí na bezpečnou omezenou úroveň. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Tabulka 1: Definice parametrů pro obrázek 6. (Zdroj tabulky: společnost Semtech)

TVS diody renomovaných výrobců jsou navrženy tak, aby chránily rozhraní a zároveň splňovaly přísné normy odolnosti podrobně popsané v dokumentech, jako jsou normy IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) a IEC 61000-4-5 (blesky).

V normě IEC 61000-4-5, která specifikuje způsob testování odolnosti proti rázům, jsou uvedeny podrobnosti o typickém průběhu rázové vlny používané k určení schopností TVS diody. Vlnová křivka simuluje nepřímý úder blesku a dosáhne 90 procent své špičkové hodnoty proudu (tp) za 8 µs a klesne na 50 procent své maximální hodnoty za 20 µs. V katalogových listech se tato křivka často označuje jako „křivka 8/20 µs“ a poskytuje podrobnosti o maximálním špičkovém pulzním proudu vlnové křivky (I_PP), kterému dokáže ochranné zařízení odolat. V katalogových listech je také obvykle podrobně popsána odezva produktu na přidruženou vlnovou křivku napěťového rázu způsobenou nepřímým úderem blesku 1,2/50 µs (přechodová rázová vlna dosahuje svého špičkového napětí za 1,2 µs a klesá na 50 procent své maximální hodnoty za 50 µs).

Další klíčovou ochrannou charakteristikou TVS diody je její „ESD výdržné napětí“. Toto je maximální napětí výboje statické elektřiny, které dokáže ochranné zařízení snést bez poškození, a obvykle se pohybuje v řádu desítek kV.

TVS diody k ochraně PHY GbE

TVS diody jsou kromě GbE k dispozici k ochraně řady rozhraní, včetně HDMI, USB typu C, RS-485 a DisplayPort. Každé z těchto rozhraní však vyžaduje nepatrně odlišné úrovně ochrany. Proto je důležité, aby byla TVS dioda navržena pro konkrétní aplikaci.

Společnost Semtech například vyrábí řadu TVS diod zaměřenou na ochranu rozhraní GbE. Zařízení jsou vyráběna procesní technologií, která podle společnosti Semtech vede ve srovnání s jinými procesy křemíkové lavinové diody ke snížení svodového proudu a kapacity. Další výhodou této produktové řady je, že se k úspoře energie vyznačuje nízkým provozním napětím od 3,3 do 5 voltů (v závislosti na verzi).

Například řada RailClamp zahrnuje model RCLAMP0512TQTCT, který je vhodný k ochraně rozhraní 2,5 GbE. Toto zařízení nabízí I_PP 20 A (tp = 8/20 a 1,2/50 µs) a špičkový impulzní výkon (P_PK) 170 wattů. ESD výdržné napětí je ±30 kV. V_BR je 9,2 voltu (typ.), I_H je 150 mA (typ.) a V_C je typicky 5 voltů a maximálně 8,5 voltů (obrázek 7).

Obrázek 7: Charakteristiky omezovacího napětí modelu RCLAMP0512TQTCT při vystavení napětí 1,2/50 µs a proudovému rázu 8/20 µs s vrcholem při 20 A. Po krátkodobé špičce se omezovací napětí ustálí pod 5 volty a chrání PHY GbE. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Model RCLAMP0512TQ je kompaktní zařízení v 3pinovém pouzdře SGP1006N3T, které měří 1,0 × 0,6 × 0,4 mm.

V řadě RailClamp společnosti Semtech jsou další produkty, které nabízejí vyšší ochranu pro 1GbE aplikace používané v potenciálně nebezpečnějších situacích. Například model RCLAMP3374N.TCT nabízí I_PP 40 A (tp = 8/20 a 1,2/50 µs) a P_PK 1 kW. ESD výdržné napětí je ±30 kV. V_C je 25 voltů (max), když I_PP = 40 A. Součástka měří 3,0 × 2,0 × 0,60 mm.

Zařízením střední třídy v řadě RailClamp je model RCLAMP3354S.TCT. Ten je vhodný k ochraně 1 GbE a nabízí I_PP 25 A (tp = 8/20 a 1,2/50 µs) a P_PK 400 wattů. ESD výdržné napětí je ±30 kV. V_C je 16 voltů (max), když I_PP = 25 A.

Začlenění ochrany TVS diodou

Na obrázku 8 je ukázáno schéma ochrany PHY GbE pomocí zařízení RCLAMP0512TQTCT. Zařízení jsou umístěna na straně PHY transformátoru, aby byla chráněna před nárazovými proudy v diferenciálním režimu, přičemž na každém páru ethernetové linky je umístěno jedno zařízení. Diferenciální páry ethernetu jsou vedeny přes jednotlivé komponenty TVS diody na pinech 1 a 2, přičemž kolík 3 není připojen.

Obrázek 8: Komponenty ochrany TVS diodou jsou umístěny na straně PHY ethernetu transformátorů, napříč každým párem diferenciálních linek a co nejblíže k magnetům PHY. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Technik by měl omezit parazitní indukčnost v ochranné cestě umístěním ochranné komponenty co nejblíže k magnetům PHY ethernetu a nejlépe na stejné straně desky s plošnými spoji („printed circuit board“, desky PC). Pomáhá také, pokud jsou zemní spojení provedena přímo se zemnicí rovinou desky PC pomocí mikroprůchodů.

Zvláště důležité pro potlačení přechodových jevů s rychlým náběhem je snížení parazitní indukčnosti. Indukčnost v cestě ochranného zařízení zvyšuje V_C, kterému je chráněné zařízení vystaveno. V_C je úměrné indukčnosti cesty krát rychlost změny proudu během rázu. Například pouhý 1 nH indukčnosti cesty může zvýšit vrchol V_C o 30 voltů pro ESD pulz 30 A s dobou náběhu 1 ns.

Všimněte si, že vybraný ethernetový transformátor bude muset zvládnout očekávané rázy bez selhání. Typický ethernetový transformátor vydrží několik stovek ampér (tp = 8/20 µs), než dojde k poruše, ale to je třeba ověřit testováním. Alternativně, pokud máte podezření ohledně odolnosti transformátoru proti rázům, může být ochranný prvek umístěn na straně linky transformátoru. Nevýhodou je, že se pak ztrácí dodatečná ochrana poskytovaná transformátorem a schopnost systému GbE odolat vysokým energetickým rázům je omezena pouze na možnosti ochranného zařízení.

Závěr

GbE je spolehlivý a rozšířený vysokorychlostní komunikační systém, ale všechny systémy využívající vodiče jsou vystaveny energetickým přechodovým jevům v důsledku např. blesků a ESD. Takové rázy jsou do určité míry zmírněny transformátorem portu GbE, CMC a zakončovacím obvodem portu GbE, ale rázy v diferenciálním režimu mohou toto potlačení obejít a poškodit PHY ethernetu. Pro kritické systémy se doporučuje dodatečná ochrana.

TVS diody jsou dobrou volbou, protože účinně potlačují špičkové přechodové napětí na bezpečnou úroveň, nevyžadují resetování, jsou kompaktní a za rozumnou cenu. Ochranné komponenty se doporučuje pečlivě přizpůsobit dané aplikaci, protože jsou k dispozici v široké škále možností, včetně ochrany proti špičkovému proudu. Kromě toho se pro maximalizaci ochrany danou TVS diodou doporučuje dodržovat pokyny k dobrému návrhu, jako je poloha a uzemnění.