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以太网的电气威胁和保护

上网日期: 2013年10月11日 ?? 作者: Chad Marak,Phillip Havens ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:以太网? TVS二极管阵列? 雷电感应浪涌? ESD?

电缆放电事件(CDE)

CDE是一种应该与静电放电(ESD)加以区分、并作单独考虑的现象。双绞电缆的特点和其环境的知识在了解CDE上起着重要的作用。频繁变化的电缆环境还增加了在防止CDE损害上的挑战。系统设计人员通过良好的布局做法和精心的元件选择可以最大限度地进行CDE保护。IEE E 802.3标准规定了2250 VDC和1500 VAC的隔离电压,以防止可能由产生自CDE事件的高电压导致的连接器故障。为了防止在这些事件中的电弧作用,这些隔离要求适用于RJ-45连接器,以及隔离变压器。为了防止电路板上的介电故障和火花产生,线路侧印刷电路板和地面应该在走线之间有足够的爬电距离和间隙。实验室测试结果显示,要承受2000V的瞬态电压,FR4电路板迹线间距应该有至少250密尔的分隔距离。UTP电缆放电事件所产生的电压可高达几千伏,并具有极大的破坏性。电荷累积主要源自于两方面:摩擦电(摩擦)效应和电磁感应效应。

以太网介面的典型EFT测试设置(电子工程专辑)
图3:以太网介面的典型EFT测试设置(仅用于快速以太网)。

在尼龙地毯上拉一条PVC包覆的CAT5 UTP电缆,会导致在电缆上的电荷积聚,从而产生这些效应。同样,在从导线管拉出电缆或在其他网络电缆上拖拉电缆时也会产生电荷积聚。这种电荷积聚与脚擦过地毯的类似。电荷积聚仅当电缆未连接以及电荷未能得到及时耗散时发生(即电缆的两端都没有插入系统)。此外,要造成实质性损害,累积的电荷还需要得到保存。新的CAT5和CAT6电缆具有非常低的介电泄漏,且倾向于长时间留存电荷。在相对湿度低的环境下,电荷留存时间会增加。当带电的UTP电缆插入到RJ-45网络端口时,有多种可能的放电路径。瞬态电流经由的是最低电感路径,这条路径可能是在RJ-45连接器上、印刷电路板(PCB)的两个迹线之间、变压器中、通过鲍勃史密斯AC终端、或通过硅器件。取决于电缆的长度,累积的电荷可能是一个典型ESD模型电荷的几百倍。

这种紧接着发生的高能量放电可能会损坏连接器、变压器电路、或以太网收发器。双绞线电缆的作用相当于一个存储电荷的电容。有研究表明,在未连接的双绞电缆上会积聚数百伏的电荷。此外,一根完全放电的电缆可以在一小时内积聚一半的潜在电荷。一旦带有电荷,优质的电缆对大部分电荷的留存时间超过24小时。下图4中说明了不同长度的CAT5电缆随时间变化的电荷积聚情况。由于较长的电缆具有存储更多电荷的能力,因此对于具有超过60米长度电缆的系统应采取额外的CDE防范措施。

不同长度的CAT5电缆随时间变化的电荷积聚情况(电子工程专辑)
图4:不同长度的CAT5电缆随时间变化的电荷积聚情况。

另一个需要了解的因素是CDE波形,因为其不同于前面所论述的任何一种威胁,根据耦合机制的不同,它可以是差模的也可以是共模的。此外,初步研究表明,其具有大幅度变化的特点,但总体而言,CDE波形具有高能量且同时显示电压和电流驱动。这种波形在几百纳秒的时间内散布,带有快速的极性倒转。

下面的图5显示的是一个破坏性CDE波形的例子,它在25英尺双绞电缆被充电至1.5千伏之后出现在以太网PHY的发送器引脚上。随着事件期间600纳秒时间的推移,在差分波形上可以看到从正电压到负电压有64.8伏的变化。在这个试验中,该PHY的发射器被破坏,无法在网络上传输数据包。

从板级设计人员的角度来看,以太网系统的设计和布局应关注CDE,并将首要重点放在从IC器件上分流能量。系统设计考虑包括添加TVS二极管阵列和耦合变压器本身。变压器电路将有助于防止共模瞬变,但高能量瞬变应具有一个接地路径。

在25英尺双绞电缆被充电至1.5千伏后, 在以太网PHY中显示多种CDE放电波形(电子工程专辑)
图5:在25英尺双绞电缆被充电至1.5千伏后, 在以太网PHY中显示多种CDE放电波形。

任何线路侧保护器件(在这个例子中为SP03)的GND引脚(2,3,6和7)不能连接至GND,以符合IEE802.3标准对于隔离的要求;因此,设计人员别无他法,只能将该器件作为一种“仅为差模”的保护器。(注:当然,这必须满足对驱动端保护元件的需求,以防止共模事件。)

保护PHY或者驱动端的器件的I/O引脚始终连接至差分线对,如图1所示。然而,不同于线路侧保护器,这种器件的GND引脚可以被连接至本地GND平面,且Littelfuse建议采用这种配置。如果GND引脚没有被连接,那么保护器件(在这个例子中为SP3050)将会成为一种仅为差模的保护器,且可能会使破坏性共模事件通过未钳制的PHY。此外,应该注意,即使GND引脚已连接,一旦电压差超过内部TVS击穿电压加上两个二极管的电压降,该器件将仍然会保护防止差模事件。


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