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关于以太网保护电路设计的讨论

关键词:

NXP

Ethernet

Protection

择要:以太网通信在各个领域里获得了广泛的利用,为设备之间的互联供给了便利的连接规划。而对功耗、速率和功能的追求,PHY 芯片的加工工艺也从65nm、45nm过渡到更先辈的制程技巧,因而对PHY 利用电路也提出更高的要求,分外是 ESD 防护、浪涌等。下面我们姑息以太网保护电路做一些评论争论,盼望读者可能从中受到启迪, 设计出相符其利用处景的规划*。

以太网通信在各个领域里获得了广泛的利用,为设备之间的互联供给了便利的连接规划。而对功耗、速率和功能的追求,PHY 芯片的加工工艺也从65nm、45nm过渡到更先辈的制程技巧,因而对PHY 利用电路也提出更高的要求,分外是 ESD 防护、浪涌等。下面我们姑息以太网保护电路做一些评论争论,盼望读者可能从中受到启迪, 设计出相符其利用处景的规划*。

因为以太网多样性和繁杂性,如入网设备可能是常见的互换机、路由器,也可能是收集摄像头、办事器或者其他专用设备,而收集走线长度也从数十厘米到最长100米,不确定的收集情况为每个接入设备带来了要挟,例如ESD静电放电(Electrostatic Discharge)、CDE线缆放电(Cable Discharge)、EFT快速瞬变脉冲群(Electrical Fast Transients))以及雷击浪涌等。这些要挟按照其电气旌旗灯号的特征分为两大年夜类,快速上升光阴事故和迟钝上升光阴事故,当然这里快速和迟钝是相对的观点,分手是纳秒和微秒的差别。

图 1 快速上升光阴事故和迟钝上升光阴事故

ESD、CDE和 EFT 属于快速上升光阴事故,这些事故的波形上升光阴每每在纳秒级别,很多在1纳秒以内。ESD 是最常见的一种,来自于打仗放电,无论是直接的打仗照样经由过程空气间接打仗。ESD 有几个模型,HBM(模拟人体打仗),MM(设备对地放电)和CDM(集成电路对接地金属外壳放电)。人体,分外是手指打仗孕育发生的静电开释是很多设备面临的问题,根据情况湿度不合,无意偶尔候可以孕育发生上千伏的静电。表1 是几种静电孕育发生环境,部分静电的电压可以跨越一样平常变压器的上限。

表 1静电天生案例

不合湿度下的静电天生环境

天生措施

相对湿度 10-25%

相对湿度 65-90%

地毯上行走

35000 V

1500 V

乙烯基瓷砖上行走

12000 V

250 V

坐在事情台凳子

6000 V

100 V

凳子上提起塑料袋

20000 V

1200 V

聚氨酯泡沫椅子

18000 V

1500 V

CDE 可以觉得是静电开释的一种,然则又差别于ESD。根据 IEEE 802.3 标准,以太网线可以长达 100米。Cat-5 或者 Cat-6 双绞线可以视作一个电容器件,具有异常低的泄电属性。因而在摩擦(例如机械震荡)或者互感的环境下,双绞线上可以累积电势。并且在插入网线的瞬间开释电能。

EFT 经由过程是在开关或者继电器在电弧打仗的历程中孕育发生的。一样平常频率在2K到5KHz 之间,脉冲群可以持续几个十毫秒。表2 是 IEC 61000-4-4 关于 EFT 的防护等级。

表2 IEC61000-4-4 等级

kV

峰值幅度

电源

I/O旌旗灯号,数据和节制线

Voc(kV)

Isc(A)

Voc(kV)

Isc(A)

1

0.5

10

0.25

5

2

1

20

0.5

10

3

2

40

1

20

4

4

80

2

40

浪涌和雷击则能够对设备造成更大年夜的破坏,分外是有收集布线裸露在户外的。其电压可达到6KV以上,电流 100A,并且持续光阴也比上述要挟更长。当然现在很多修建物都有避雷步伐,以及在入户的时刻安装防雷、防浪涌的器件。然则对付户外设备,过长的收集走线每每会受到雷击、闪电的滋扰。

表 3 是 ITU K.20 关于雷击的测试标准。

电压 (10/700us)

电流(5/310us)

基础/增强(A)

重复

经由过程标准

单金属接口和纵向

基础/增强

多金属接口仅纵向

基础/增强

1kV/1.5kV

25/37.5

±5

A

4kV/4kV

100/100

±5

A

1.5kV/1.5kV

37.5/37.5

±5

A

4kV/6kV

100/150

±5

A

针对上面提到两类事故,因为它们电气旌旗灯号的特征,如上升光阴和电压/电流强度不合,我们每每会采纳不合的保护器件来应对。快速上升光阴光阴一样平常可以经由过程半导体元件,如 TVS实现过压保护。而迟钝上升光阴事故一样平常其电流较大年夜,每每会跨越很多数导体材料的上限,因而采纳陶瓷气体放电管、抗浪涌保险丝等。而在设计保护电路时,更多我们应用的是共模和差模滋扰观点。由于上面的几种环境,终极都邑在电路上天生共模和差模旌旗灯号。如雷击、闪电更多的为设备带来共模滋扰,其会经由过程互感或者提升接地面电压给所有的双绞线对或者设备接地造成整体的电压上升。而 ESD或者 CDE 因为放电工具的不确定性,可以造成共模或者差模滋扰。在有些环境下,共模滋扰又会转变为差模滋扰。以是我们会针对共模和差模滋扰进行设计,并根据旌旗灯号特征选择相宜的器件。下图是共模和差模滋扰的模型。

图 2 共模和差模滋扰的模型

保护策略

在评论争论保护策略的时刻我们必要知道电压本身并不会引起设备或者器件的毁坏,如本身带有上千伏静电的设备却可以正常事情。每每是电压引起的电流会造成破坏。因而我们将根据两个基础的策略来实施,第一,阻拦滋扰旌旗灯号的电流,第二,对付弗成避免的电流,将其向导至设计的安然路径,并确保该路径上的所有环节都可以遭遇估计的电流。这对共模或者差模滋扰都是一样的。

共模滋扰防护

变压器作为网线接入设备后旌旗灯号抵达的第一个器件,在共模滋扰上是第一道防线。根据 IEEE standard 802.3 规定变压器必要供给 1500VRMS 的旌旗灯号隔离,峰值约为2.1kV。实际上大年夜部分编译器每每能够遭遇4kV 到 8kV 的电压,这是抵御共模滋扰的一个很有用的特征。但必须留意的是,标称 1500VRMS 的变压器不必然都可以实现逾额保护,这还取决于不合的临盆厂商、批次等,最好查看对应的技巧手册,或者采纳明确可以供给更高防护等级的变压器。

对付必要更高的防护等级,如GR974-CORE、ITU K2.8,可以在变压器前端应用能够遭遇5000V和250A电流的 TSS半导体放电管或者10~20kV 的GDT 陶瓷气体放电管。如图3 所示,并串入较小的电阻 R1和 R2,这可所以放电电流往导向电阻更小的通道,而不是颠末变压器。当然 R1/R2 在双绞线的引入,可能会影响到以太网同等性测试,是以必要用户权衡是否应用该电阻以及应用多大年夜的电阻,其带来的影响能否满意需求。

图 3 共模滋扰保护

在PCB 布线时,我们也有可能漠视下面问题,过小的走线间距,EMC 设计时没有应用足够耐压的原件。

图4 中的 C1 和 R1 时为了相符802.3 EMC 标准常用的规划,称为 Smith termination 。这里 C1 会成为抑制共模滋扰的懦弱点。一旦滋扰电压跨越C1 的最大年夜耐压值将其击穿,那么电流就会进入PHY 电路。是以必要仔细选择相宜的器件,或者在EMC 测试容许的环境下,不应用该设计。

图 4 Smith termination

对付带有 LED 唆使灯的RJ45,在应用时也必要值得留意。LED 节制旌旗灯号一样平常直接和 PHY 连接。必要确保LED 和 RJ45 金属外盒有足够的间距,如4mm以上,假如可能最好查阅其手册是否有关于 LED 和金属外壳之间空气击穿电压的阐明。并酌情对LED 的电源和节制旌旗灯号添加保护,如采纳TVS和光耦。

图 5 RJ45 LED 连接

差模滋扰防护

变压器对付差模滋扰旌旗灯号仅相称于1到2欧姆的等效电阻,比拟于共模滋扰我们必要其他的步伐来防护。差模滋扰一样平常经由过程变压器耦合,在次级上孕育发生电流。而变压器次级连接的时PHY,因而直接对PHY 造成破坏。下图是 2/10us 100A 滋扰旌旗灯号颠末变压器耦合后在次级上环境。只管因为变压器自身达到饱和,只在次级上耦合孕育发生了幅度和光阴都相对低级上较小的滋扰旌旗灯号。根据Q=I2t 谋略电流能量,在次级上至相称于低级的 2%,然则25A, 3us 的滋扰足够毁坏PHY 芯片。

图 6 差模旌旗灯号变压器次级耦合

根据前面提到的两个策略,我们仍然从阻拦滋扰电流和将滋扰电流导向安然路径两个角度启程来斟酌差模滋扰的防护。

为了尽可能地衰减次级耦合电流,我们首先斟酌有效低落变压器低级电路上的电流。在变压器前端加入过流保护器件,当电流瞬间变大年夜时,F1~F4 的电阻会响应增添从而抑制电流。

图 7 过流保护

对付进入变压器次级电路的耦合电流,一样平常采纳容抗低、相应快的TVS 瞬态抑制管。如图8,过高的电压会使 D1 导通,将滋扰电流畅过 D1 开释,避免直接冲击 PHY。有诸多厂商供给了TVS 保护器件,用户必要结合自己的利用处景,从TVS 的导通电压、最大年夜电压和功率、容抗特点以及资源方面选择相宜器件。平日在 PHY 链路上引入额外的组件,也有可能会以太网同等性测试孕育发生影响。

图 8 TVS 瞬态抑制管利用

PoE

因为可以免去设备的零丁供电线路,在安防、工业现场以致办公室、家庭情况中都呈现了支持 PoE 的收集。然而将不支持 PoE 的设备直接接入PoE 收集每每会引起设备毁坏,只管标准的 PoE 供电端会带有过流反省。是以用户应该避免上述操作。或者在PCB 设计的时加入响应的 PoE 电路,但这会带来额外的资源,并且该功能对设备来讲长短需要的。下图是一种参考设计,可以兼容PoE 802.3af Standards A 和 B 。

图 9 PoE 设计

总结

本文就以太网保护设计方面提出设计计算以及几种应对的设计思路,正如不合的标准中都有多个级其余防护等级,用户必要根据实际的项目利用处景来选择相宜的规划,这包括PCB 设计、器件选择、资源、旌旗灯号同等性等。而以太网防护并不是一个自力的设计,如上面提到的 Smith termination,以致电源、旌旗灯号和机壳接地等多个身分都有可能将滋扰源耦合到以太网链路中。

参考:

https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics

https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics/page/0/1

https://interferencetechnology.com/defending-ethernet-ports-from-electrical-transient-events/

https://incompliancemag.com/article/designing-ethernet-cable-ports-to-withstand-lightning-surges/

https://www.littelfuse.com/~/media/electronics/design_guides/esd/littelfuse_ethernet_protection_design_guide.pdf.pdf

http://www.protekdevices.com/xyz/documents/kb/tech/an1011.pdf

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/83/4f/8e/b6/5c/79/4e/bb/CD00242140.pdf/files/CD00242140.pdf/jcr:content/translations/en.CD00242140.pdf

https://www.mouser.com/pdfdocs/Semtech_Protection_Design_Telecom_Network.pdf

https://www.onsemi.cn/PowerSolutions/document/TND410-D.PDF

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