- 雷擊浪涌
- 靜電放電 (ESD)
- 電快速瞬變 (EFT)
- 電纜放電事件 (CDE)
電路板設(shè)計人員經(jīng)常使用 TVS 二極管陣列以提供以太網(wǎng)端口保護。很多時候，設(shè)計師使用保護以保持設(shè)備可靠性，防止四個主要威脅：
雷擊浪涌沖擊（IEC61000-4-5，GR-1089，
國際電聯(lián)）
ESD 或靜電放電 (IEC61000-4-2)
EFT 或電快速瞬變 (IEC61000-4-4)
CDE 或電纜放電事件
了解上面列出的事件的性質(zhì)和“方向性”，將有助于指導(dǎo)設(shè)計師如何最好地保護以太網(wǎng)端口，更重要的是，設(shè)備的引腳如何連接將影響系統(tǒng)的性能。下面章節(jié)中所提供的信息，將參考圖 1，以更好地說明一些要點。
了解威脅
雷擊浪涌
根據(jù)要遵守的標準或法規(guī)，雷擊浪涌可以是異模或有不同波形的共模。異模中，正負測試設(shè)備終端之間通過兩根導(dǎo)線或引腳（即 J1 和 J2）連接，以使進入到 RJ-45 端口的電能量只出現(xiàn)在這兩個導(dǎo)體（見圖 2）之間。線路端保護設(shè)備，如這里列舉的 Littelfuse SP03A 系列，硅保護陣列，會吸收能量，但一些能量還會傳遞到變壓器，在變壓器驅(qū)動器端或如本例所示，在 Tx+ 和 Tx- 數(shù)據(jù)線路之間創(chuàng)建一個異模事件。
對于共模測試，將對個別導(dǎo)線或數(shù)據(jù)線自身進行 GND 測試。測試設(shè)備正端將連接到所有的導(dǎo)線或引腳（即 J1、J2、J3 和 J6），負端將連接到 GND（見圖 2）。在這種情況下，如果線路阻抗相近，SP03A 將吸收很少的能量。變壓器的磁性將大部分的能量電容耦合到變壓器驅(qū)動器端，作為以太網(wǎng) PHY 一個共模事件出現(xiàn)。
靜電放電 (ESD)
可通過接觸或空氣放電評估設(shè)備的 ESD 免疫力（根據(jù)IEC61000-4-2 標準）。有許多方法可注入 ESD，但在所有情況下，因為釋放能量到 GND，ESD 脈沖作為電路共模事件出現(xiàn)。
電快速瞬變 (EFT)
檢查設(shè)備的 EFT 免疫力（根據(jù) IEC61000-4-4 標準），與共模雷擊浪涌測試非常相似。在如圖 3 所示比較典型的配置中，所有的導(dǎo)體（或引腳）電容耦合到測試信號發(fā)生器的正極和“浪涌”到 GND。如果數(shù)據(jù)線幾乎沒有差別，線對之間很少有異模能量，但變壓器耦合電容會再次將共模能量以衰減的方式傳輸?shù)津?qū)動端。
電纜放電事件 (CDE)
CDE 是一種應(yīng)有所區(qū)別的現(xiàn)象，應(yīng)從靜電放電 (ESD) 方面單獨考慮。雙絞線電纜的特點及其環(huán)境知識，在了解 CDE方面發(fā)揮重要的作用。頻繁變化的電纜環(huán)境也加重了防止CDE 損害的難度。系統(tǒng)設(shè)計師可以通過良好布局做法和精心挑選組件最大限度地保護系統(tǒng)免受 CDE 危害。IEEE 802.3標準規(guī)定了 2250 VDC 和 1500VAC 隔離電壓 ，以防止 CDE所產(chǎn)生高壓造成的連接器故障。為了防止這些事件中的電弧，這些隔離要求適用于 RJ-45 接頭以及隔離變壓器。為了防止電介質(zhì)損壞和電路板打火，行單面印刷電路板和地面應(yīng)該有足夠的爬電距離和走線間隙。實驗室測試表明，承受 2000V 瞬態(tài)電壓，F(xiàn)R4 電路板線間距應(yīng)至少有 250 密
耳的距離。（來源：www.national.com）。UTP 電纜放電事件可高達幾千伏，可能有很大的破壞性。電荷的積累來自兩個主要來源：摩擦電（摩擦）效應(yīng)和電磁感應(yīng)效應(yīng)。
這些影響可能來自在尼龍地毯拉動一根 PVC 覆蓋的 CAT5UTP 電纜，從而導(dǎo)致電纜電荷的聚集。以類似的方式，通過管道或通過其它網(wǎng)絡(luò)電纜拖動電纜，同樣會導(dǎo)致電荷在電纜上聚集。這種電荷聚集，類似于在地毯上摩擦腳。僅當(dāng)電纜沒有連接，且沒有立刻釋放聚集的電荷（即電纜兩端未插入系統(tǒng)），才會發(fā)生電荷聚集。還有，必須保留了積累電荷，才可能造成實質(zhì)損害。較新的 CAT5 和 CAT6電纜絕緣性非常好，往往能很長時間保留聚集的電荷。環(huán)境相對濕度低，聚集電荷的保留時間會增加。將帶靜電的UTP 電纜插入到 RJ-45 網(wǎng)絡(luò)端口，有許多可能的放電路徑。這個瞬態(tài)電流使用最低的電感線路，這條線路可以在RJ-45 接口，兩個印刷電路板 (PCB) 之間，在變壓器上，通過 Bob Smith 交流端，或通過硅裝置。根據(jù)電纜的長度，所積累的電荷可以是一個典型的 ESD 模型放電的百倍。
隨之而來的高能量放電可能會損壞連接器，變壓器電路，或以太網(wǎng)收發(fā)器。雙絞線電纜表現(xiàn)像一個存儲電荷的電容器。有研究證明，未連接到終端的雙絞線電纜可能會積累幾百伏的電荷。此外，在一個小時內(nèi)，完全放電的電纜可以積累其所能積累總電荷的一半。一旦有了靜電，高品質(zhì)的電纜保留其所帶靜電的時間可以超過 24 小時。下面圖 4展示了不同長度的 CAT5 電纜積累靜電如何隨著時間而變化。由于較長的電纜有容量來存儲更多的電荷，電纜長度超過 60m 的系統(tǒng)應(yīng)采取額外的 CDE 預(yù)防措施。
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另一個要了解的重要因素是 CDE 波形，因為它不像以前討論的任何威脅，取決于耦合機制，要么是異模，要么是共模。此外，初步研究顯示，它在特點上有很大差異，但總體上看，CDE 的波形能量高，體現(xiàn)在電壓和電流驅(qū)動上。波形傳播的時間為幾百納秒，能夠快速反轉(zhuǎn)極性。下面的圖 5，給出了破壞性 CDE 波形的例子，在一個以太網(wǎng) PHY 發(fā)射器引腳，一個 25 英尺雙絞線電纜靜電電壓達 1.5KV。在該事件發(fā)生超過 600ns 時間的期間，在異模波形上看到有 64.8V 從正電壓轉(zhuǎn)換為負電壓。在這個實驗中，PHY 的發(fā)射器被破壞，無法在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)包。
從電路板級設(shè)計師的角度來看，設(shè)計和制造以太網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)注意 CDE，首要重點放在讓靜電遠離 IC 器件方面。系統(tǒng)設(shè)計考慮包括添加 TVS 二極管陣列和耦合變壓器本身。變壓器電路將有助于防止共模瞬變，但高能量瞬變應(yīng)該接地。
最佳的設(shè)備配置
任何線路端保護裝置（這個例子中的 SP03A）不能有 GND引腳（2、3、6 和 7）連接到 GND，以保證符合 IEEE802.3隔離標準；因此，設(shè)計師沒有選擇，只能將此設(shè)備作為“異模”保護器。（注：當(dāng)然，這使得驅(qū)動端保護元件成為必要，以保護系統(tǒng)免受共模事件損壞。）
保護 PHY 或驅(qū)動端的設(shè)備總有 I/O 引腳連接到異模線對，如圖 1 所示。然而，不同于線路端保護，這種設(shè)備可以將其 GND 引腳連接到本地 GND 平面，Littelfuse 建議使用這種配置。如果沒有連接 GND 引腳，則保護裝置（這個例子中的 SP3050）將成為一個僅異模保護器，并可能允許損害共模事件通過松開的 PHY。此外，應(yīng)該指出，即使連接GND 引腳，該設(shè)備將仍然防止異模事件，一旦電壓差超過內(nèi)部 TVS 加雙二極管的電壓降的損壞值（使用 SP3050 示例）。
至于常用 TVS 二極管陣列、5 針、VCC 的中其余引腳，Littelfuse 還建議，這應(yīng)連接到本地電源，如 5V，3.3V等（注：應(yīng)當(dāng)心，以確保保護裝置或 VRWM 的對峙電壓遠高于電源電壓，以防止激活或打開內(nèi)部 TVS 二極管。）
通過連接 SP3050的 VCC 引腳，由于電氣瞬態(tài)兩個獨立的放電路徑，如下（圖 6）紅色所示，設(shè)計者將更好進行夾緊設(shè)計。可以簡單地將它看作一個電阻分壓器，其中瞬態(tài)電流通過導(dǎo)向二極管，并選擇了兩條路，一個通過內(nèi)部 TVS到 GND，一個通過電源或外部旁路電容到 GND。總而言之，第 5 腳連接到電源，將導(dǎo)致更好的夾緊性能，給以太網(wǎng) PHY 提供更好的整體保護。
結(jié)論
使用 TVS 二極管陣列保護以太網(wǎng)端口時，設(shè)計者應(yīng)該始終警惕需要防范的威脅。大多數(shù)情況下，威脅是異模和共模事件的結(jié)合，保護裝置正確連接時，可以有效地夾緊。線路端保護元件僅局限于異模保護，但驅(qū)動程序或 PHY 端保護裝置應(yīng)連接到 GND 和本地電源。這將提供最好的夾緊性能，并最大限度提高以太網(wǎng)端口的可靠性。
