Wie man gestaltet

Von Steven Keeping, Digikey

Gigabit Ethernet (GbE) ist ein robustes Hochgeschwindigkeitskommunikationssystem, das in Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäuden weit verbreitet ist. Allerdings stellen Ethernet-Systeme auch Herausforderungen dar, insbesondere wenn die Konnektivität über das Gebäude hinausgeht. Bei ausgedehnten Leitungen können unerwartet hohe transiente Spannungen und Ströme auftreten, und elektrostatische Entladungen (ESD) stellen ein fortwährendes Risiko dar.

Die physikalische GbE-Schicht (PHY) umfasst einige Komponenten, die einen gewissen Schutz bieten, beispielsweise den Trenntransformator. Allerdings kann man sich nicht darauf verlassen, dass die eingebaute Schutzvorrichtung gegen Überspannungen unter allen Umständen Schutz bietet.

Transientenspannungsunterdrückungsdioden (TVS) sind ein bewährtes, kostengünstiges und robustes Schaltungsschutzgerät für platz- und kostenbeschränkte Anwendungen wie GbE. Im Normalbetrieb erscheinen die Geräte transparent. Dennoch müssen die Geräte mehrere Kommunikationskanäle vor Stoßströmen von bis zu 40 Ampere (A) und ESDs von bis zu 30 Kilovolt (kV) schützen und bei normalem Gebrauch eine niedrige Ladekapazität aufrechterhalten, um die Integrität des Hochgeschwindigkeitssignals sicherzustellen.

Dieser Artikel beschreibt die Designherausforderungen, die der GbE-Hochspannungstransienten- und ESD-Schutz mit sich bringt, und betrachtet anschließend die einzigartigen Eigenschaften von TVS-Dioden, die für die Energieunterdrückung erforderlich sind. Der Artikel beschreibt dann einige kommerzielle Lösungen für das Problem, bevor er zeigt, wie die ausgewählten Geräte in Systeme für den Transientenschutz gemäß Standards wie IEC 61000-4-2, -4 und -5 integriert werden.

GbE ist ein kabelgebundenes Hochgeschwindigkeitskommunikationssystem. Kupferverbindungen übertragen die Differenzsignale, die die „Nullen“ und „Einsen“ darstellen, aus denen der digitale Signalstrom besteht. Dieser Kupferdraht ist jedoch auch der perfekte Transportmechanismus für hohe transiente Spannungen und ESD-Ereignisse, die Siliziumschaltkreiselemente beschädigen könnten (Abbildung 1).

Das Design des GbE PHY beinhaltet einen gewissen Schutz durch den Trenntransformator. Die GbE-Spezifikation (IEEE 802.3) fordert eine Mindestisolation von 2,1 kV. Die meisten kommerziellen Transformatoren bieten eine Isolierung von 4 bis 8 kV. Darüber hinaus enthalten GbE-Schnittstellen typischerweise eine Gleichtaktdrossel (CMC), eine Induktivität, die zum Blockieren von Wechselstrom mit höherer Frequenz verwendet wird, um ESD-Spitzen zu reduzieren. Ein letztes Maß an Schutz ergibt sich aus der „Bob Smith“-Kündigung. Dabei wird ein 75-Ohm-Widerstand (Ω) verwendet, um eine Gleichtaktimpedanzanpassung für Signalpaare zu implementieren, die gemeinsam über einen Kondensator mit Masse verbunden sind. Der Abschluss kann dazu beitragen, die später besprochenen Gleichtaktemissionen zu reduzieren (Abbildung 2).

Es ist riskant, sich für einen umfassenden Schutz einfach auf den GbE-PHY-Trenntransformator, den CMC und die Abschlussschaltung zu verlassen. Während die Komponenten eine gewisse Abschwächung transienter Spannungen bieten, gibt es mehrere Umstände, die dazu führen können, dass der Anschluss beschädigt wird.

Transiente GbE-Spannungsausschläge können entweder in Gleichtakt- oder Gegentaktmodus eingeteilt werden. Während eines Gleichtakt-Spannungsübergangs steigen alle GbE-PHY-Leiter sofort auf die gleiche Spannung in Bezug auf Erde an. Da alle Leiter auf dem gleichen Potenzial liegen, findet keine Stromübertragung von einem Leiter zum anderen statt. Stattdessen fließt Strom zur Erde. Ein üblicher Weg für den Stromfluss verläuft durch den Leiter zur Erde über den Mittelabgriff des Transformators und durch den Abschlusskreis (Abbildung 3).

Der Gegentaktstoß ist anders. Der Strom fließt auf einer Signalleitung des Differenzpaars in den GbE-Port, durch den Transformator und auf der anderen Signalleitung wieder aus dem Port heraus. Der durch die Primärwicklung des Transformators fließende Übergangsstrom induziert einen Stromstoß in der Sekundärwicklung. Sobald die Überspannung entfernt ist, wird die im Transformator gespeicherte Energie dorthin übertragen, wo sich der fragile GbE-PHY befindet. Es ist diese übertragene Energie, die im besten Fall zu Datenverlusten und Störungen führt und im schlimmsten Fall zu dauerhaften Schäden führt (Abbildung 4).

Abbildung 4 zeigt, dass der Differenzmodus-Überspannungsschutz am gefährlichsten ist, da er den GbE-PHY potenziell schädlichen Spannungen aussetzt. Zum Schutz vor diesen Überspannungen ist auf der Sekundärseite des Trenntransformators ein zusätzlicher Schutz erforderlich.

Der Schutz des GbE-PHY erfordert Geräte, die die großen transienten Energieimpulse isolieren, blockieren oder unterdrücken können. Zusätzliche Transformatoren können die Ethernet-Elektronik vollständig isolieren, sind jedoch sperrig und können teuer sein. Sicherungen sind eine kostengünstige Blockierungsmethode, müssen jedoch nach jedem Auslöseereignis zurückgesetzt oder ersetzt werden. TVS-Dioden sind ein guter Kompromiss; Sie unterdrücken die Spitzentransientenspannung effektiv auf ein sicheres Niveau, erfordern kein Zurücksetzen, sind kompakt und preisgünstig.

Strukturell handelt es sich bei einer TVS-Diode um ein AP-N-Gerät, das speziell mit einer großen Übergangsquerschnittsfläche entwickelt wurde, um hohe transiente Ströme und Spannungen zu absorbieren. Während die Spannungs-/Stromeigenschaften einer TVS-Diode denen einer Zenerdiode ähneln, sind die Geräte eher auf Spannungsunterdrückung als auf Spannungsregelung ausgelegt. Ein wesentlicher Vorteil einer TVS-Diode ist ihre schnelle Reaktion (typischerweise innerhalb von Nanosekunden) auf elektrische Transienten – sie leitet die Energie des Transienten sicher zur Erde ab und hält gleichzeitig eine konstante „Klemmspannung“ aufrecht – im Vergleich zu anderen Unterdrückungsgeräten (Abbildung 5).

Im Normalbetrieb stellt die TVS-Diode für Spannungen bis zu ihrer Arbeitsspannung (VRWM) eine hohe Impedanz für den Stromkreis dar. Wenn die Spannung an den Anschlüssen des Geräts die Durchbruchspannung (VBR) übersteigt, kommt es zu einem Lawinendurchbruch im Übergang der Diode, wodurch diese „zurückschnappt“ oder in einen niederohmigen Einschaltzustand wechselt. Dadurch wird die Spannung auf einen geklemmten Wert (VC) gesenkt, während der transiente Spitzenimpulsstrom (IPP) durch das Gerät fließt. Die maximale Spannung, der der geschützte Stromkreis ausgesetzt ist, beträgt VC und ist normalerweise bescheiden. Sobald der Strom unter den Haltestrom (IH) sinkt, kehrt die TVS-Diode in einen hochohmigen Sperrzustand zurück (Abbildung 6 und Tabelle 1).

TVS-Dioden namhafter Hersteller sind darauf ausgelegt, Schnittstellen zu schützen und gleichzeitig strenge Immunitätsstandards zu erfüllen, die in Dokumenten wie IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) und IEC 61000-4-5 (Blitz) aufgeführt sind. .

IEC 61000-4-5 legt fest, wie die Störfestigkeit gegen Überspannungen zu prüfen ist. Sie enthält Einzelheiten zur typischen Überspannungswellenform, die zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer TVS-Diode verwendet wird. Die Wellenform simuliert einen indirekten Lichteinschlag und erreicht 90 Prozent seines Spitzenstromwerts (tp) in 8 Mikrosekunden (µs) und fällt in 20 µs auf 50 Prozent seines Spitzenwerts ab. In Datenblättern wird dies häufig als „8/20-µs-Wellenform“ bezeichnet und enthält Angaben zum maximalen Spitzenimpulsstrom (IPP) der Wellenform, dem das Schutzgerät standhalten kann. In Datenblättern wird in der Regel auch die Reaktion des Produkts auf die zugehörige Spannungsstoßwellenform beschrieben, die durch einen indirekten Blitzeinschlag von 1,2/50 µs verursacht wird (ein vorübergehender Spannungsstoß, der in 1,2 µs seine Spitzenspannung erreicht und in 50 µs auf 50 Prozent seines Spitzenwerts abfällt).

Die andere wichtige Schutzeigenschaft einer TVS-Diode ist ihre „ESD-Spannungsfestigkeit“. Dabei handelt es sich um die maximale Entladungsspannung statischer Elektrizität, die das Schutzgerät ohne Schaden aushalten kann. Sie liegt typischerweise in der Größenordnung von mehreren zehn kV.

Zusätzlich zu GbE stehen TVS-Dioden zum Schutz einer Reihe von Schnittstellen zur Verfügung, darunter HDMI, USB Typ-C, RS-485 und DisplayPort. Jede dieser Schnittstellen erfordert jedoch geringfügig unterschiedliche Schutzniveaus. Daher ist es wichtig, dass die TVS-Diode für die jeweilige Anwendung ausgelegt ist.

Semtech stellt beispielsweise eine Reihe von TVS-Dioden her, die auf den Schutz von GbE-Schnittstellen ausgerichtet sind. Die Geräte werden mit einer Prozesstechnologie hergestellt, die laut Semtech im Vergleich zu anderen Silizium-Lawinendioden-Prozessen zu einer Reduzierung des Leckstroms und der Kapazität führt. Ein weiterer Vorteil der Produktreihe besteht darin, dass sie über eine niedrige Betriebsspannung von 3,3 bis 5 Volt (je nach Ausführung) verfügt, um Energie zu sparen.

Zur RailClamp-Serie gehört beispielsweise der RCLAMP0512TQTCT, der für den 2,5-GbE-Schnittstellenschutz geeignet ist. Dieses Gerät verfügt über eine IPP-Fähigkeit von 20 Ampere (A) (tp = 8/20 und 1,2/50 µs) und eine Spitzenimpulsleistung (PPK) von 170 Watt. Die ESD-Spannung beträgt +/-30 kV. Die VBR beträgt 9,2 Volt (typisch), IH beträgt 150 Milliampere (mA) (typisch) und VC beträgt typisch 5 Volt und maximal 8,5 Volt (Abbildung 7).

Der RCLAMP0512TQ ist ein kompaktes Gerät in einem 3-Pin-SGP1006N3T-Gehäuse mit den Maßen 1,0 x 0,6 x 0,4 Millimeter (mm).

Es gibt weitere Produkte der Semtech RailClamp-Serie, die einen besseren Schutz für 1-GbE-Anwendungen bieten, die in potenziell gefährlicheren Situationen eingesetzt werden. Der RCLAMP3374N.TCT verfügt beispielsweise über eine IPP-Fähigkeit von 40 A (tp = 8/20 und 1,2/50 µs) und einen PPK von 1 Kilowatt (kW). Die ESD-Spannung beträgt +/-30 kV. VC beträgt 25 Volt (maximal), wenn IPP = 40 A. Die Komponente misst 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

Das Mittelklassegerät der RailClamp-Reihe ist der RCLAMP3354S.TCT. Dieser ist für 1-GbE-Schutz geeignet und bietet eine IPP-Fähigkeit von 25 A (tp = 8/20 und 1,2/50 µs) und einen PPK von 400 Watt. Die ESD-Spannung beträgt +/-30 kV. VC beträgt 16 Volt (maximal), wenn IPP = 25 A.

Abbildung 8 zeigt ein GbE-PHY-Schutzschema mit RCLAMP0512TQTCT. Die Geräte befinden sich auf der PHY-Seite des Transformators, um vor Überspannungen im Differenzmodus zu schützen, wobei über jedem Ethernet-Leitungspaar ein Gerät platziert ist. Die Ethernet-Differenzialpaare werden durch jede TVS-Diodenkomponente an den Pins 1 und 2 geleitet, wobei Pin 3 nicht verbunden ist.

Der Ingenieur sollte die parasitäre Induktivität im Schutzpfad begrenzen, indem er die Schutzkomponente physisch so nah wie möglich an den Ethernet-PHY-Magneten und vorzugsweise auf derselben Seite der Leiterplatte (PC-Platine) platziert. Es hilft auch, wenn Erdungsverbindungen über Mikrovias direkt mit der Erdungsebene der Platine verbunden werden.

Die Reduzierung der parasitären Induktivität ist besonders wichtig für die Unterdrückung von Transienten mit schneller Anstiegszeit. Die Induktivität im Pfad des Schutzgeräts erhöht den VC, dem das geschützte Gerät ausgesetzt ist. VC ist proportional zur Pfadinduktivität multipliziert mit der Stromänderungsrate während des Stoßes. Beispielsweise kann nur 1 Nanohenry (nH) Pfadinduktivität die Spitzen-VC bei einem 30-A-ESD-Impuls mit einer Anstiegszeit von 1 Nanosekunde (ns) um 30 Volt erhöhen.

Beachten Sie, dass der ausgewählte Ethernet-Transformator erwartete Überspannungen ohne Ausfall überstehen muss. Ein typischer Ethernet-Transformator kann einigen hundert Ampere (tp = 8/20 µs) standhalten, bevor es zu einem Ausfall kommt, dies muss jedoch durch Tests überprüft werden. Alternativ kann bei Zweifeln an der Überspannungsfestigkeit des Transformators die Schutzkomponente auf der Netzseite des Transformators platziert werden. Der Nachteil besteht darin, dass der zusätzliche Schutz, den der Transformator bietet, dann verloren geht und die Fähigkeit des GbE-Systems, hohen Energiestößen standzuhalten, auf die Fähigkeit des Schutzgeräts beschränkt ist.

GbE ist ein zuverlässiges und weit verbreitetes Hochgeschwindigkeitskommunikationssystem, aber alle Systeme, die Leiter verwenden, sind aufgrund von Phänomenen wie Blitzschlag und ESD Energietransienten ausgesetzt. Solche Überspannungen werden bis zu einem gewissen Grad durch den Transformator, den CMC und die Abschlussschaltung des GbE-Ports gemildert, aber Überspannungen im Differenzmodus können diese Unterdrückung umgehen und den Ethernet-PHY beschädigen. Für kritische Systeme wird ein zusätzlicher Schutz empfohlen.

TVS-Dioden sind eine gute Option, da sie die Spitzentransientenspannung effektiv auf ein sicheres Niveau unterdrücken, kein Zurücksetzen erfordern und kompakt und mittelpreisig sind. Es wird empfohlen, die Schutzkomponente sorgfältig auf die Anwendung abzustimmen, da sie in einer breiten Palette von Leistungsmerkmalen erhältlich ist, einschließlich Spitzenstromschutz. Darüber hinaus wird die Einhaltung guter Designrichtlinien wie Position und Erdung empfohlen, um den Schutz einer bestimmten TVS-Diode zu maximieren.