电路板设计以太网端口的四种电气威胁及措施

创作者：Chad Marak、Phillip Havens，Littelfuse企业

电源设计工作人员通常应用TVS二极管列阵来为以太网接口端口号给予维护。 在很多状况下，设计方案工作人员为了更好地维持机器设备的稳定性，关键对于四种关键的危害而采用维护：雷电感器应浪涌保护器、ESD（即静电放电）、EFT（即电气设备迅速磁法勘探）和CDE（即电缆线充放电事情）。掌握这种事情的特性和“专一性”，将有利于具体指导设计方案工作人员怎样最佳地对以太网接口端口号开展维护、更关键的是，元器件的管脚联接将怎样危害系统软件的特性。 后边提及的消息会考虑到图1，以能够更好地表明一些关键点。

图1：应用TVS二极管列阵为以太网接口介面给予二环节式避雷维护。

雷击磁感应浪涌保护器

依据所遵循的规范或标准，遭雷击浪涌保护器可以是差模或者具备不一样波型的共模。在差模中，检测机器设备的正极度子和负极其子中间联接着2个电导体或管脚（即J1和J2），因而在RJ-45端口号上进到的动能只在这里2个电导体中间发生（见图2）。该动能将在路线侧的维护元器件（这儿表明的是Littelfuse的SP03系列产品硅维护列阵）上消退，但一部分动能也会传送到变电器，在变电器的推动端上、或如这一事例所显示的Tx 和Tx-手机充电线中间导致差模事情。

针对共模检测，某些电导体或手机充电线本身凑合GND开展检测。检测设备的正偏激将连结到全部电导体或管脚（即J1、J2、J3和J6），负偏激联接到GND（见图2）。在这样的情况下，假定路线特性阻抗密切配对，在SP03元器件上消退的动能将是十分小量的。绝大多数的动能将根据变电器的永磁材料而电容器性藕合至变电器的推动端，变成以太网接口PHY的共模事情。

图2：以太网接口介面的差模和共模检测设定（仅用以迅速以太网接口）。

静电放电（ESD）

评定机器设备的ESD抗扰性（依照IEC 61000-4-2规范）可以根据触碰或气体充放电开展。引入ESD有很多种方式，可是在全部状况下，因为释放出来的动能关联到GND，ESD单脉冲在电源电路上是以共模事情发生的。

电气设备迅速磁法勘探（EFT）

检查设备的EFT抗扰性（依照IEC 61000-4-4规范）与对共模遭雷击浪涌保护器所做的检测十分类似。在图3所显示的非常常见的配备中，全部电导体（或管脚）均是电感性藕合至检测产生器的正偏激，且针对GND表明“猛增”。假如手机充电线平衡优良，在组对中间将不容易有差分信号动能，可是工作的滤波电容会再度将共模能量转移到推动端，即使是以较低的水准。

电缆线充放电事情（CDE）

CDE是一种应当与静电放电（ESD）进行区别、并且做好独立考虑到的状况。双绞电缆线的特性和其自然环境的专业知识在掌握CDE处起着至关重要的功效。经常转变的电缆线自然环境还提升了在避免CDE危害上的试炼。系统开发工作人员进行较好的合理布局作法和用心的元器件挑选可以最大限度地开展CDE维护。IEE E 802.3标准了2250 VDC和1500 VAC的防护工作电压，以避免很有可能由造成自CDE事情的高电压造成的射频连接器常见故障。为了避免在这种事情中的电孤功效，这种防护规定适用RJ-45射频连接器，及其隔离变压仪。为了避免电路板上的电极化常见故障和火苗造成，路线侧印刷线路板和路面应当在布线中间有充足的击穿电压和空隙。试验室检测数据显示，要承担2000V的暂态工作电压，FR4线路板迹线间隔应当有最少250密尔的隔开间距。UTP电缆线充放电事情所造成的工作电压可达到好几千伏，并具备很大的毁灭性。正电荷积累关键源于于两层面：磨擦电（磨擦）效用和电流的磁效应效用。

图3：以太网接口介面的典型性EFT检测设定（仅用以迅速以太网接口）。

在尼龙地毯下拉一条PVC覆盖的CAT5 UTP电缆线，会造成在电缆线上的正电荷堆积，进而造成这种效用。一样，在从导线管拉出电缆线或在别的网络电缆上拖拖拉拉电缆线时也会造成正电荷堆积。这类正电荷堆积与脚擦过毛毯的相近。正电荷堆积仅当电缆线未联接及其正电荷无法获得立即损耗时产生（即电线的两边也没有插进系统软件）。除此之外，要导致实际性危害，积累的正电荷还必须获得储存。新的CAT5和CAT6电缆线具备极低的电极化泄露，且趋向于长期存留正电荷。在空气湿度低的条件下，正电荷存留時间会提升。当带电体的UTP电缆线插进到RJ-45网络端口时，有很多种很有可能的充放电途径。瞬态电流量经过的是最少电感器途径，这条途径很有可能是在RJ-45射频连接器上、印刷线路板（PCB）的2个迹线中间、变电器中、根据鲍勃阿诗丹顿AC终端设备、或根据硅元器件。在于电缆线的长短，积累的正电荷可能是一个典型性ESD实体模型正电荷的十几倍。

这类随后产生的高效率能量充放电很有可能会毁坏射频连接器、变电器电源电路、或以太网接口收发器。双胶线电缆线的效果等同于一个储存正电荷的电容器。有研究表明，在未联接的双绞电缆线上面堆积数百人伏的正电荷。除此之外，一根彻底充放电的电缆线可以在一小时内堆积一半的潜在性正电荷。一旦含有正电荷，高品质的电缆线对绝大多数正电荷的存留時间超出24钟头。下面的图4中表明了各种尺寸的CAT5电缆线随时长变动的正电荷堆积状况。因为较长的电缆线具备储存大量正电荷的工作能力，因而针对具备超出60米长短电缆线的系统软件应采用附加的CDE预防措施。

图4：不一样尺寸的CAT5电缆线随时长变动的正电荷堆积状况。

另一个必须认识的关键因素是CDE波型，由于其有别于前边所阐述的一切一种危害，依据藕合体制的不一样，它可以是差模的还可以是共模的。除此之外，基本研究表明，其具备大幅转变的特性，但总而言之，CDE波型具备高效率能量且与此同时表明工作电压和电流量推动。这类波型在好几百纳秒的時间内散播，含有迅速的正负极反转。

下边的图5表明的是一个毁灭性CDE波型的事例，它在25英寸双绞电缆线被电池充电至1.5KV以后发生在以太网接口PHY的发送器管脚上。伴随着事情期内600纳秒時间的变化，在差分信号波型上能够看见从正工作电压到负工作电压有64.8伏的转变。在这个实验中，该PHY的信号发射器被毁坏，没法在互联网上传送数据包。

从板级设计方案员工的方面看来，以太网接口系统软件的制定和布置应关心CDE，并将主要关键放到从IC元器件上分离动能。系统开发考虑到包含加上TVS二极管列阵和藕合变电器自身。变电器电源电路将有利于避免共模磁法勘探，但高效率能量磁法勘探应具备一个接地装置途径。

图5：在25英寸双绞电缆线被电池充电至1.5KV后， 在以太网接口PHY中表明多种多样CDE充放电波型。

一切路线侧维护元器件（在这个事例中为SP03）的GND管脚（2，3，6和7）不可以联接至GND，以合乎IEE802.3规范针对防护的规定；因而，设计方案工作人员事已至此，只有将该元器件做为一种“仅为差模”的保护装置。（注：自然，这务必达到对推动端维护元器件的要求，以避免共模事情。）

对于在大多数TVS二极管列阵中多见的剩余的这一管脚，管脚5，Vcc，Littelfuse还提议将其联接至当地开关电源，如5伏、3.3V开关电源。（留意：应当保证维护元器件的僵持工作电压（VRWM）远远高于电源电压，以避免激话或开启內部TVS二极管。）

根据联接SP3050元器件的Vcc管脚，因为电气设备磁法勘探可能经过的两根单独的充放电途径（如下图6中鲜红色所显示），设计方案工作人员将可获取更快的总体钳位。它可以简易的被觉得是一个电阻器高压分压器，磁法勘探根据控向二极管进到，并经过两根途径：一条由內部TVS至GND，另一条根据开关电源或一个外界旁路电容至GND。总得来说，将管脚5联接至开关电源会产生更佳的钳位特性，为以太网接口PHY给予更快的总体维护。

图6：电流量进到TVS二极管列阵和管脚以产生预设值的钳位特性。

偏置这一Vcc管脚的另一个益处是其可以减少从I/O到GND的电容器，这与使其维持波动或不开展联接是根本不一样的。应当参照用以维护以太网接口PHY的特殊元器件的数据信息指南，认为设计方案工作人员给予这一将一部分取决于Vcc偏置脉冲信号的电容器。下边的图7是SP3050的图例，仅作参考。

图7：TVS二极管列阵电容器与偏压。

结果

在应用TVS二极管列阵来开展以太网接口端口号维护时，设计方案工作人员应自始至终对其尝试避免的危害提高警惕。在绝大多数状况下，这种危害是差模事情和共模事情的组成，当维护元器件恰当联接时，这种事情都能获得合理钳制。

路线侧维护元器件仅限差模事情维护，可是推动端或PHY侧维护元器件应被联接至GND及其当地开关电源。这将能给予适合的钳位特性，并最大限度地提升以太网接口端口号的稳定性。

责编：gt