Cum se proiectează diodele TVS pentru a proteja Gigabit Ethernet de fenomenele tranzitorii de tensiune și curent

Gigabit Ethernet (GbE) este un sistem de comunicații robust, de mare viteză, utilizat pe scară largă în spațiile casnice, comerciale și industriale. Cu toate acestea, sistemele Ethernet prezintă provocări, în special atunci când conectivitatea se extinde dincolo de clădire. Liniile extinse pot fi supuse unor tensiuni și curenți tranzitorii de nivel înalt neașteptați, iar descărcările electrostatice (ESD) reprezintă un risc permanent.

Stratul fizic (PHY) GbE include unele componente care asigură un anumit grad de protecție, cum ar fi transformatorul de izolare. Dar nu ne putem baza pe atenuarea integrată a tensiunii tranzitorii pentru a oferi protecție în toate circumstanțele.

Diodele de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) sunt dispozitive de protecție dovedite, ieftine și robuste pentru circuite, în aplicații cu spațiu și costuri limitate, cum ar fi GbE. În condiții normale de funcționare, dispozitivele par transparente. Cu toate acestea, dispozitivele trebuie să protejeze mai multe canale de comunicare împotriva curenților de supratensiune de până la 40 de amperi (A) și a descărcărilor electrostatice de până la 30 de kilovolți (kV) și să mențină o capacitate de încărcare redusă în condiții normale de utilizare pentru a asigura integritatea semnalelor de mare viteză.

Acest articol descrie provocările de proiectare prezentate de protecția împotriva fenomenelor tranzitorii de înaltă tensiune și ESD din GbE, iar apoi prezintă caracteristicile unice ale diodelor TVS necesare pentru suprimarea energiei. Articolul descrie apoi câteva soluții comerciale pentru această problemă, înainte de a arăta cum se proiectează dispozitivele selectate în sisteme de protecție împotriva fenomenelor tranzitorii, în conformitate cu standarde precum IEC 61000-4-2, -4 și -5.

Pericolele efectelor tensiunii tranzitorii

GbE este un sistem de comunicații de mare viteză prin cablu. Conexiunile din cupru transportă semnalele diferențiale care reprezintă valorile de „zero” și „unu” care alcătuiesc fluxul de semnal digital. Cu toate acestea, firul de cupru este, de asemenea, mecanismul perfect de transport pentru tensiuni tranzitorii ridicate și evenimente ESD care ar putea deteriora elementele din siliciu ale circuitului (Figura 1).

Figura 1: Fără protecție, PHY-urile GbE pot fi distruse de tensiuni tranzitorii ridicate și ESD. (Sursa imaginii: Semtech)

Proiectarea PHY GbE include un anumit grad de protecție prin intermediul transformatorului de izolare. Specificația GbE (IEEE 802.3) prevede o izolare minimă de 2,1 kV. Majoritatea transformatoarelor comerciale oferă o izolare de la 4 până la 8 kV. În plus, interfețele GbE includ de obicei o bobină de mod comun (CMC), un inductor utilizat pentru blocarea curentului alternativ de înaltă frecvență pentru a ajuta la reducerea vârfurilor ESD. Un ultim grad de protecție este asigurat de terminația „Bob Smith”. Aceasta utilizează un rezistor de 75 ohmi (Ω) pentru a implementa o potrivire de impedanță în mod comun pentru perechile de semnale conectate colectiv prin intermediul unui condensator la masă. Terminația poate contribui la reducerea emisiilor de mod comun discutate mai târziu (Figura 2).

Figura 2: Stratul fizic GbE include o anumită protecție încorporată împotriva tensiunilor tranzitorii, inclusiv un transformator de izolare, un inductor de mod comun și un circuit de terminare a rezistorului. (Sursa imaginii: Semtech)

Este riscant să vă bazați pur și simplu pe transformatorul de izolare PHY GbE, pe CMC și pe circuitul de terminare pentru o protecție completă. Deși componentele oferă o anumită atenuare a tensiunii tranzitorii, există mai multe circumstanțe care expun portul la deteriorări.

Modificările de tensiune tranzitorie GbE pot fi clasificate ca fiind de natură comună sau diferențială. În timpul unui fenomen tranzitoriu de tensiune de mod comun, toți conductorii PHY GbE se ridică instantaneu la aceeași tensiune în raport cu masa. Deoarece toți conductorii sunt la același potențial, nu există transfer de curent de la un conductor la altul. În schimb, curentul circulă până la masă. O cale obișnuită pentru fluxul de curent este prin conductor la masă, prin racordul central al transformatorului și prin circuitul de terminare (Figura 3).

Figura 3: Un curent de mod comun cu tensiune tranzitorie ridicată trece prin conectorul RJ-45 spre masă prin intermediul racordului central al transformatorului de izolare. (Sursa imaginii: Semtech)

Supratensiunea în mod diferențial este diferită. Curentul intră în portul GbE pe o linie de semnal a perechii diferențiale, trece prin transformator și iese înapoi din port pe cealaltă linie de semnal. Curentul tranzitoriu care circulă prin înfășurarea primară a transformatorului induce o supratensiune de curent în înfășurarea secundară. Odată ce supratensiunea este eliminată, energia stocată în transformator se va transfera în locul în care se află fragilul PHY GbE. Această energie transferată este cea care, în cel mai bun caz, duce la pierderi de date și defecțiuni și, în cel mai rău caz, duce la daune permanente (Figura 4).

Figura 4: O supratensiune în mod diferențial induce un curent pe transformatorul de izolare care poate deteriora circuitele electronice sensibile. (Sursa imaginii: Semtech)

Figura 4 arată că supratensiunea în mod diferențial este cea mai periculoasă, deoarece este cea care expune PHY GbE la tensiuni potențial dăunătoare. Pentru apărare împotriva acestor supratensiuni este nevoie de o protecție suplimentară pe partea secundară a transformatorului de izolare.

Utilizarea diodelor TVS pentru protecție împotriva supratensiunilor

Protecția PHY GbE necesită dispozitive care pot izola, bloca sau suprima impulsurile tranzitorii mari de energie. Transformatoarele suplimentare pot izola complet componentele electronice Ethernet, dar sunt voluminoase și pot fi costisitoare. Siguranțele sunt o metodă ieftină de blocare, dar trebuie resetate sau înlocuite după fiecare declanșare. Diodele TVS sunt un compromis bun; acestea suprimă în mod eficient tensiunea tranzitorie de vârf la un nivel sigur, nu necesită resetare, sunt compacte și au un preț rezonabil.

Din punct de vedere structural, o diodă TVS este un dispozitiv p-n conceput special cu o secțiune transversală mare a joncțiunii pentru a absorbi curenți și tensiuni tranzitorii ridicate. În timp ce caracteristicile de tensiune/curent ale unei diode TVS sunt similare cu cele ale unei diode Zener, dispozitivele sunt mai degrabă proiectate pentru suprimarea tensiunii, decât pentru reglarea tensiunii. Un avantaj cheie al unei diode TVS este răspunsul său rapid (de obicei, în câteva nanosecunde) la fenomenele electrice tranzitorii, redirecționând energia fenomenului tranzitoriu în condiții de siguranță la masă, menținând în același timp o tensiune constantă de „fixare”, în comparație cu alte dispozitive de suprimare (Figura 5).

Figura 5: O diodă TVS oferă o cale de impedanță redusă către masă pentru tensiuni tranzitorii care depășesc un nivel de prag. Drept urmare, circuitul protejat este supus doar unei tensiuni sigure. (Sursa imaginii: Semtech)

În timpul funcționării normale, dioda TVS prezintă o impedanță ridicată la circuit pentru tensiuni de până la tensiunea sa de lucru (V_RWM). Atunci când tensiunea de la bornele dispozitivului depășește tensiunea de străpungere (V_BR), în joncțiunea diodei are loc un efect de avalanșă, ceea ce face ca dioda să „revină” sau să treacă la o stare activă de joasă impedanță. Acest lucru scade tensiunea la un nivel fixat (V_C) în timp ce curentul impulsului de vârf tranzitoriu (I_PP) trece prin dispozitiv. Tensiunea maximă la care este supus circuitul protejat este egală cu V_C și este, de obicei, modestă. Odată ce curentul scade sub curentul de menținere (I_H), dioda TVS revine la o stare de impedanță ridicată (Figura 6 și Tabelul 1).

Figura 6: Caracteristicile operaționale ale diodei TVS. La tensiunea de străpungere, componenta trece la o stare de funcționare cu impedanță redusă și scade tensiunea la un nivel sigur fixat, în timp ce curentul de vârf tranzitoriu circulă. (Sursa imaginii: Semtech)

Tabelul 1: Definițiile parametrilor pentru Figura 6. (Sursa tabelului: Semtech)

Diodele TVS de la producătorii de renume sunt concepute pentru a proteja interfețele, respectând în același timp standardele stricte de imunitate detaliate în documente precum IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) și IEC 61000-4-5 (fulgere).

IEC 61000-4-5, care specifică modul de testare a imunității la supratensiuni, oferă detalii despre forma de undă tipică a supratensiunii utilizată pentru a determina capacitatea unei diode TVS. Forma de undă simulează un trăsnet indirect și atinge 90% din valoarea de vârf a curentului (tp) în 8 microsecunde (µs) și scade la 50% din valoarea sa de vârf în 20 µs. Fișele tehnice se referă adesea la aceasta ca fiind „forma de undă de 8/20 µs” și oferă detalii despre curentul maxim de vârf al formei de undă (I_PP) pe care dispozitivul de protecție îl poate suporta. De asemenea, fișele tehnice detaliază de obicei răspunsul produsului la forma de undă a supratensiunii asociate, cauzată de un trăsnet indirect de 1,2/50 µs (o supratensiune tranzitorie care atinge tensiunea de vârf în 1,2 µs și scade la 50% din valoarea sa de vârf în 50 µs).

Cealaltă caracteristică cheie de protecție a unei diode TVS este „tensiunea de rezistență la ESD”. Aceasta este tensiunea maximă de descărcare a electricității statice pe care dispozitivul de protecție o poate tolera fără a se deteriora și este, de obicei, de ordinul zecilor de kV.

Diode TVS pentru protecția PHY GbE

În plus față de GbE, diodele TVS sunt disponibile pentru protecția unei varietăți de interfețe, inclusiv HDMI, USB Type-C, RS-485 și DisplayPort. Dar fiecare dintre aceste interfețe necesită niveluri de protecție ușor diferite. De aceea este important ca dioda TVS să fie proiectată pentru o aplicație specifică.

Semtech, de exemplu, produce o gamă de diode TVS destinate protecției interfețelor GbE. Dispozitivele sunt fabricate folosind o tehnologie de proces care, potrivit Semtech, determină reducerea curentului de scurgere și a capacității în comparație cu alte procese ale diodelor de siliciu cu avalanșă. Un alt avantaj al gamei de produse este faptul că dispune de o tensiune de funcționare redusă, de la 3,3 la 5 volți (în funcție de versiune), pentru a economisi energie.

De exemplu, seria RailClamp include modelul RCLAMP0512TQTCT, care este potrivit pentru protecția interfeței 2,5 GbE. Acest dispozitiv are o capacitate I_PP de 20 de amperi (A) (tp = 8/20 și 1,2/50 µs) și o putere de vârf a impulsurilor (P_PK) de 170 de wați. Tensiunea de rezistență ESD este de +/-30 kV. V_BR este de 9,2 volți (tipic), I_H este de 150 miliamperi (mA) (tipic), iar V_C este de 5 volți tipic și 8,5 volți maxim (Figura 7).

Figura 7: Caracteristicile tensiunii de fixare a RCLAMP0512TQTCT atunci când este supus unei tensiuni de 1,2/50 µs și unei supratensiuni de curent de 8/20 µs cu vârf de 20 A. După un vârf de scurtă durată, tensiunea de fixare se stabilizează sub 5 volți, protejând PHY GbE. (Sursa imaginii: Semtech)

RCLAMP0512TQ este un dispozitiv compact într-o capsulă SGP1006N3T cu 3 pini care măsoară 1,0 x 0,6 x 0,4 milimetri (mm).

Există și alte produse din seria Semtech RailClamp care oferă o protecție mai mare pentru aplicațiile 1 GbE utilizate în situații potențial mai periculoase. De exemplu, RCLAMP3374N.TCT are o capacitate I_PP de 40 A (tp = 8/20 și 1,2/50 µs) și P_PK de 1 kilowatt (kW). Tensiunea de rezistență ESD este de +/-30 kV. V_C este de 25 volți (maxim) când I_PP = 40 A. Componenta măsoară 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

Dispozitivul de clasă medie din gama RailClamp este RCLAMP3354S.TCT. Acesta este potrivit pentru protecția 1 GbE și oferă o capacitate I_PP de 25 A (tp = 8/20 și 1,2/50 µs) și P_PK de 400 de wați. Tensiunea de rezistență ESD este de +/-30 kV. V_C este de 16 volți (maxim) când I_PP = 25 A.

Proiectarea în protecția diodei TVS

Figura 8 prezintă o schemă de protecție PHY GbE utilizând RCLAMP0512TQTCT. Dispozitivele sunt amplasate pe partea PHY a transformatorului pentru a proteja împotriva supratensiunilor în mod diferențial, cu câte un dispozitiv amplasat pe fiecare pereche de linii Ethernet. Perechile diferențiale Ethernet sunt direcționate prin fiecare componentă a diodei TVS la pinii 1 și 2, cu pinul 3 neconectat.

Figura 8: Componentele de protecție cu diode TVS sunt plasate pe partea PHY Ethernet a transformatoarelor, peste fiecare pereche de linii diferențiale și cât mai aproape posibil de elementele magnetice ale PHY. (Sursa imaginii: Semtech)

Inginerul ar trebui să limiteze inductanța parazită în calea de protecție prin amplasarea componentei de protecție cât mai aproape fizic posibil de magnetismul PHY Ethernet și, de preferință, pe aceeași parte a plăcii de circuite imprimate (PCB). De asemenea, ajută și dacă conexiunile la sol sunt făcute direct la planul de masă al plăcii de circuite imprimate, folosind micro-trasee.

Reducerea inductanței parazite este deosebit de importantă pentru suprimarea fenomenelor tranzitorii cu timp rapid de creștere. Inductanța din traseul dispozitivului de protecție crește C_V la care este expus dispozitivul protejat. V_C este proporțională cu inductanța traseului înmulțită cu rata de variație a curentului în timpul supratensiunii. De exemplu, doar 1 nanohenry (nH) de inductanță a traseului poate crește V_C de vârf cu 30 de volți pentru un impuls ESD de 30 A cu un timp de creștere de 1 nanosecundă (ns).

Rețineți că transformatorul Ethernet selectat va trebui să reziste la supratensiunile anticipate fără a se defecta. Un transformator Ethernet tipic poate rezista la câteva sute de amperi (tp = 8/20 µs) înainte de a se produce o defecțiune, dar acest lucru trebuie verificat prin testare. Alternativ, în cazul în care imunitatea la supratensiuni a transformatorului este suspectă, componenta de protecție poate fi plasată pe partea de linie a transformatorului. Dezavantajul este că protecția suplimentară oferită de transformator este pierdută, iar capacitatea sistemului GbE de a rezista la supratensiuni de mare energie este limitată doar la capacitatea dispozitivului de protecție.

Concluzie

GbE este un sistem de comunicație de mare viteză fiabil și răspândit, dar toate sistemele care utilizează conductori sunt supuse la fenomene tranzitorii de energie din cauza unor fenomene precum fulgerele și ESD. Astfel de supratensiuni sunt atenuate într-o oarecare măsură de transformatorul, CMC și circuitul de terminare al portului GbE, dar supratensiunile în mod diferențial pot ocoli această suprimare și pot deteriora PHY Ethernet. Se recomandă protecție suplimentară pentru sistemele critice.

Diodele TVS sunt o opțiune bună, deoarece suprimă în mod eficient tensiunea tranzitorie de vârf la un nivel sigur, nu necesită resetare și sunt compacte și au un preț mediu. Se recomandă o potrivire atentă a componentei de protecție cu aplicația, deoarece acestea sunt disponibile într-o gamă largă de capacități, inclusiv protecție la curent de vârf. În plus, pentru a maximiza protecția unei anumite diode TVS, se recomandă respectarea unor bune orientări de proiectare, cum ar fi poziția și împământarea.