Projektowanie z użyciem diod TVS w celu ochrony sieci Gigabit Ethernet przed napięciami i prądami w stanach nieustalonych

Sieci Gigabit Ethernet (GbE) to solidny, system komunikacji o dużej prędkości transferu danych będący w powszechnym użyciu w obiektach mieszkalnych, komercyjnych i przemysłowych. Systemy Ethernet stanowią jednak wyzwanie, zwłaszcza gdy łączność wykracza poza budynek. W długich liniach mogą występować nieoczekiwane wysokie przejściowe napięcia i natężenia prądu, a ciągłe zagrożenie stanowią też wyładowania elektrostatyczne (ESD).

O konkretnym stopniu ochrony decydują niektóre komponenty zawarte w warstwie fizycznej (PHY) GbE, takie jak transformator izolacyjny. Jednak, aby zapewnić ochronę w każdych okolicznościach, nie można polegać na wbudowanych środkach ograniczania napięć przejściowych.

Diody ograniczające napięcia przejściowe (TVS) to sprawdzone, niedrogie i wytrzymałe urządzenia do ochrony obwodów, które dobrze sprawdzają się w zastosowaniach o ograniczonym budżecie, takich jak sieci GbE. Podczas normalnej pracy omawiane urządzenia pozostają niewidzialne. Muszą one jednak chronić wiele kanałów komunikacyjnych przed prądami udarowymi do 40A i wyładowaniami elektrostatycznymi do 30kV oraz utrzymywać niską pojemność ładunku przy normalnym użytkowaniu, aby zapewnić wysoką integralność sygnału.

W niniejszym artykule opisano wyzwania projektowe stawiane przeznaczonym do sieci GbE urządzeniom do ochrony przed wysokimi napięciami przejściowymi oraz wyładowaniami elektrostatycznymi. Dodatkowo omówiono unikatowe właściwości diod TVS niezbędne do ograniczania energii. W dalszej części artykułu opisano przykładowe komercyjne rozwiązania problemu oraz zademonstrowano sposoby włączania wybranych urządzeń do projektów systemów do ochrony przed stanami nieustalonymi z zachowaniem zgodności z normami takimi jak IEC 61000-4-2, -4 i -5.

Zagrożenia związane ze zjawiskami napięć przejściowych

GbE to przewodowy system szybkiej komunikacji. Połączenia miedziane przenoszą sygnały różnicowe reprezentujące „zera” i „jedynki”, które tworzą cyfrowy strumień sygnałowy. Jednakże te przewody miedziane są również idealną drogą przenoszenia wysokich napięć przejściowych i wyładowań elektrostatycznych (ESD), które mogą uszkadzać krzemowe elementy obwodu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: brak zabezpieczeń warstw fizycznych (PHY) sieci GbE może skutkować ich uszkodzeniem przez wysokie napięcia przejściowe i wyładowania elektrostatyczne. (Źródło ilustracji: Semtech)

W projektach warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE pewien stopień ochrony zapewniany jest przez transformatory izolacyjne. Specyfikacja GbE (IEEE 802.3) wymaga minimalnej izolacji na poziomie 2,1kV. Większość transformatorów komercyjnych oferuje izolację 4-8kV. Co więcej, interfejsy GbE zazwyczaj posiadają dławiki sygnałów wspólnych (CMC), czyli cewki indukcyjne blokujące wyższe częstotliwości prądu zmiennego w celu ograniczenia skokowych wyładowań elektrostatycznych (ESD). Ostateczny stopień ochrony zależy od zastosowanego zestawu zakończeniowego Boba Smitha. W celu dopasowania impedancji sygnału wspólnego dla par przewodów sygnałowych połączonych zbiorowo za pomocą kondensatora do masy wykorzystuje się w nim rezystor 75Ω. Zakończenie tego typu może pomóc w zmniejszeniu emisji sygnałów wspólnych, które omówiono w dalszej części artykułu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: warstwa fizyczna sieci GbE posiada wbudowane zabezpieczenia przed napięciami przejściowymi, w tym transformator izolacyjny, dławik sygnałów wspólnych i rezystorowy obwód zakończeniowy. (Źródło ilustracji: Semtech)

Poleganie wyłącznie na transformatorze izolacyjnym dla warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE, dławiku sygnałów wspólnych i obwodzie zakończeniowym w celu zapewnienia kompleksowej ochrony jest ryzykowne. Mimo iż opisywane komponenty oferują w ograniczenie napięć przejściowych pewnym stopniu, istnieje szereg okoliczności, w których port nadal będzie narażony na uszkodzenia.

Wyróżniamy dwie klasy nagłych skoków napięć przejściowych w systemach GbE zależne od ich charakteru: sygnałów wspólnych i sygnałów różnicowych. W przypadku stanów nieustalonych napięcia sygnałów wspólnych napięcie na wszystkich przewodach warstwy fizycznej (PHY) GbE natychmiast wzrasta do tego samego napięcia względem masy. Pomiędzy poszczególnymi przewodami nie dochodzi do przepływu prądu z uwagi na fakt, że wszystkie przewody mają ten sam potencjał. Zamiast tego prąd płynie do masy. Wspólna ścieżka przepływu prądu biegnie przewodem do masy przez centralny zaczep transformatora i przez obwód zakończeniowy (ilustracja 3).

Ilustracja 3: prąd sygnałów wspólnych o wysokim napięciu przejściowym przepływa przez złącze RJ-45 do masy za pośrednictwem środkowego zaczepu transformatora izolacyjnego. (Źródło ilustracji: Semtech)

Udar sygnału różnicowego jest inny. Prąd wpływa do portu GbE na jednej z linii sygnałowych pary różnicowej, płynie przez transformator i z powrotem z portu na drugiej linii sygnałowej. Przepływ prądu w stanie nieustalonym przez główne uzwojenie transformatora powoduje udar prądowy w uzwojeniu wtórnym. Gdy udar przeminie, energia zmagazynowana w transformatorze przeniesie się do miejsca wrażliwej warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE. To właśnie ta energia w najlepszym wypadku powoduje utratę danych i błędy, a w najgorszym - prowadzi do trwałych uszkodzeń (ilustracja 4).

Ilustracja 4: udar sygnału różnicowego indukuje w transformatorze izolacyjnym prądy, które mogą uszkodzić wrażliwe obwody elektroniczne. (Źródło ilustracji: Semtech)

Ilustracja 4 pokazuje, że udar sygnału różnicowego jest najbardziej niebezpieczny, ponieważ naraża warstwę fizyczną (PHY) sieci GbE na napięcia mogące wywołać uszkodzenia. W celu zabezpieczenia przed takimi udarami potrzebna jest dodatkowa ochrona po drugiej stronie transformatora izolacyjnego.

Stosowanie diod TVS do ochrony przeciwprzepięciowej

Zabezpieczenie warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE wymaga zastosowania urządzeń, które potrafią izolować, blokować lub ograniczać duże impulsy energii w stanach nieustalonych. Dodatkowe transformatory mogą w pełni izolować elektronikę sieci Ethernet, ale są nieporęczne i potrafią być drogie. Bezpieczniki stanowią niedrogą metodę blokowania, ale wymagają resetowania lub wymiany po każdym zadziałaniu. Diody TVS stanowią dobry kompromis - skutecznie obniżają maksymalne napięcie przejściowe do bezpiecznego poziomu, nie wymagają resetowania, są kompaktowe i dostępne w rozsądnej cenie.

Pod względem budowy dioda TVS jest urządzeniem p-n o specjalnie zaprojektowanym dużym przekroju złącza w celu absorpcji wysokich prądów i napięć w stanach nieustalonych. Podczas gdy charakterystyka napięciowo-prądowa diod TVS jest podobna do diod Zenera, urządzenia te są przeznaczone do ograniczania napięcia, a nie jego regulacji. Główną zaletą diody TVS w porównaniu do innych urządzeń ograniczających jest szybka reakcja (zazwyczaj liczona w nanosekundach) na elektryczne stany nieustalone. Polega ona na bezpiecznym przekierowaniu energii stanu nieustalonego do masy przy zachowaniu stałego napięcia progowego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: dioda TVS zapewnia niskoimpedancyjną drogę przepływu do masy dla napięć przejściowych przekraczających poziom progowy. W rezultacie w chronionym obwodzie mogą występować tylko bezpieczne napięcia. (Źródło ilustracji: Semtech)

Podczas normalnej pracy, z punktu widzenia obwodu dioda TVS wykazuje wysoką impedancję dla napięć nieprzekraczających napięcia roboczego (V_RWM). Gdy napięcie na zaciskach przekracza napięcie przebicia (V_BR), w złączu diody dochodzi do przebicia lawinowego, co powoduje „przebicie zwrotne”, czyli przejście do niskoimpedancyjnego stanu włączenia. Powoduje to obniżenie napięcia do poziomu progowego (V_C) gdy przez urządzenie przepływa prąd szczytowy impulsu w stanie nieustalonym (I _PP). Maksymalne napięcie w zabezpieczanym obwodzie równe V_C jest zwykle umiarkowane. Gdy natężenie prądu spadnie poniżej prądu trzymania (I_H), dioda TVS powróci do wysokoimpedancyjnego stanu wyłączenia (ilustracja 6 i tabela 1).

Ilustracja 6: charakterystyka robocza diod TVS. Przy napięciu przebicia komponent przełącza się w niskoimpedancyjny stan włączenia i obniża napięcie do bezpiecznego poziomu progowego dla przepływającego prądu szczytowego w stanie nieustalonym. (Źródło ilustracji: Semtech)

Tabela 1: definicje parametrów na ilustracji 6. (Źródło tabeli: Semtech)

Diody TVS renomowanych producentów przeznaczone są do ochrony interfejsów przy jednoczesnym spełnieniu surowych norm odporności, takich jak IEC 61000-4-2 (wyładowania elektrostatyczne), IEC 61000-4-4 (szybkie elektryczne stany przejściowe) oraz IEC 61000-4-5 (wyładowania atmosferyczne).

Norma IEC 61000-4-5, która określa sposób badania odporności na przepięcia, zawiera szczegóły przebiegu typowego przepięcia wykorzystywane do określania parametrów diod TVS. Przebieg ten symuluje pośrednie uderzenie pioruna i osiąga 90 procent jego szczytowej wartości prądu (tp) w ciągu 8µs, a po upływie 20µs natężenie obniża się do 50% wartości szczytowej. Arkusze danych często określają to mianem „przebiegu 8/20µs” i zawierają szczegóły dotyczące maksymalnego prądu szczytowego impulsu (I_PP), jaki może wytrzymać urządzenie zabezpieczające. Arkusze danych zazwyczaj szczegółowo opisują również odpowiedź produktu na powiązany przebieg udaru napięciowego spowodowany pośrednim uderzeniem pioruna na poziomie 1,2/50µs (udar o stanie nieustalonym o wartości szczytowej sięgającej 1,2µs i osiągający 50% wartości szczytowej po upływie 50µs).

Inną kluczową cechą charakterystyczną diody TVS jest jej „napięcie wytrzymywane wyładowań elektrostatycznych (ESD)”. Jest to maksymalne napięcie wyładowcze elektryczności statycznej, które urządzenie zabezpieczające może tolerować bez uszkodzenia i zazwyczaj wynosi kilkadziesiąt kV.

Diody TVS do ochrony warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE

Diody TVS można stosować nie tylko do ochrony sieci GbE, ale także szeregu interfejsów, w tym HDMI, USB Type-C, RS-485 i DisplayPort. Jednak każdy ze wspomnianych interfejsów wymaga nieco różnych poziomów ochrony. Dlatego ważne jest, aby dioda TVS została zaprojektowana do konkretnego zastosowania.

Na przykład firma Semtech produkuje linię diod TVS przeznaczonych do ochrony interfejsów GbE. Urządzenia te są produkowane przy użyciu technologii, która według Semtech prowadzi do zmniejszenia prądu upływu i pojemności w porównaniu do innych technologii produkcji krzemowych diod lawinowych. Kolejną zaletą tej gamy produktów jest niskie napięcie robocze od 3,3 do 5V (w zależności od wersji), co pozwala oszczędzać energię.

Na przykład w serii RailClamp znajduje się dioda RCLAMP0512TQTCT, która nadaje się do ochrony interfejsów2,5 GbE. Prąd szczytowy impulsu tego urządzenia I_PP wynosi 20A (tp = 8/20 i 1,2/50µs) a moc szczytowa impulsu (P_PK) 170W. Napięcie wytrzymywane wyładowań elektrostatycznych (ESD) wynosi +/-30 kV. V_BR wynosi 9,2V (typ.), I_H wynosi 150mA (typ.), natomiast wartość typowa V_C to 5V, a maksymalna 8,5V (ilustracja 7).

Ilustracja 7: charakterystyka napięcia progowego diody RCLAMP0512TQTCT przy napięciu 1,2/50µs i szczytowej wartości udaru prądowego na poziomie 8/20µs osiągającej przy 20A. Po krótkotrwałym szczycie napięcie progowe kształtuje się poniżej 5V, chroniąc warstwę fizyczną (PHY) sieci GbE. (Źródło ilustracji: Semtech)

Dioda RCLAMP0512TQ to kompaktowe urządzenie w 3-wtykowej obudowie SGP1006N3T o wymiarach 1,0 x 0,6 x 0,4mm.

W serii RailClamp firmy Semtech znaleźć można także inne produkty, które zapewnią większą ochronę dla systemów 1 GbE, odpowiednie do zastosowań o wyższym stopniu zagrożenia. Na przykład dioda RCLAMP3374N.TCT ma prąd szczytowy impulsu I_PP wynoszący 40A (tp = 8/20 i 1.2/50µs) oraz moc szczytową P_PK równą 1kW. Napięcie wytrzymywane wyładowań elektrostatycznych (ESD) wynosi +/-30 kV. V_C wynosi 25V (maks.) przy I_PP = 40A. Wymiary komponentu: 3,0 x 2,0 x 0,60mm.

Urządzeniem o średnich parametrach na tle całej serii RailClamp jest dioda RCLAMP3354S.TCT. Jest ona odpowiednia do ochrony w systemach 1 GbE i charakteryzuje się prądem szczytowym impulsu I_PP 25A (TP = 8/20 i 1.2/50µs) oraz mocą szczytową P_PK 400W. Napięcie wytrzymywane wyładowań elektrostatycznych (ESD) wynosi +/-30 kV. V_C wynosi 16V (maks.) przy I_PP = 25A.

Projektowanie z użyciem zabezpieczających diod TVS

Ilustracja 8 przedstawia schemat ochrony warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE zapewnianej przez diodę RCLAMP0512TQTCT. Urządzenia znajdują się po stronie warstwy fizycznej (PHY) transformatora w celu ochrony przed udarami sygnału różnicowego, przy czym na każdej parze linii Ethernet umieszczone jest jedno urządzenie. Pary różnicowe Ethernet są prowadzone przez poszczególne komponenty diod TVS na wtykach 1 i 2, a wtyk 3 pozostaje niepodłączony.

Ilustracja 8: komponenty zabezpieczające w formie diod TVS są umieszczone po stronie warstwy fizycznej (PHY) transformatorów, na każdej parze linii różnicowych i jak najbliżej komponentów magnetycznych warstwy fizycznej (PHY). (Źródło ilustracji: Semtech)

Inżynierowie powinni ograniczać indukcyjność pasożytniczą w ścieżce ochrony poprzez rozmieszczanie komponentów ochronnych fizycznie tak blisko komponentów magnetycznych warstwy fizycznej (PHY) sieci Ethernet, jak to możliwe, a najlepiej po tej samej stronie płytki drukowanej. Pomocne jest również wykonywanie połączeń masowych bezpośrednio do płaszczyzny masy na płytce drukowanej za pomocą mikroprzelotek.

Zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej jest szczególnie ważne dla ograniczania stanów nieustalonych o krótkim czasie narastania. Indukcyjność na ścieżce urządzenia ochronnego zwiększa napięcie V_C, na które narażone jest zabezpieczane urządzenie. Napięcie V_C jest proporcjonalne do indukcyjności ścieżki pomnożonej przez prędkość zmiany natężenia prądu w czasie udaru. Na przykład już indukcyjność ścieżki o wartości zaledwie 1nH może zwiększyć wartość szczytową V_C o 30V dla impulsu wyładowania elektrostatycznego (ESD) 30A przy czasie narastania równym 1ns.

Należy pamiętać, że wybrany transformator sieci Ethernet będzie musiał wytrzymywać przewidywane udary bez awarii. Typowy transformator do sieci Ethernet może wytrzymać kilkaset amperów (TP = 8/20µs) bez awarii, ale należy to sprawdzić w drodze prób. Ewentualnie w przypadku obaw co do odporności transformatora na udary, można zainstalować komponent ochronny po stronie linii transformatora. Minusem takiego rozwiązania jest utrata dodatkowej ochrony zapewnianej przez transformator, a zdolność systemu GbE do wytrzymywania wysokich udarów prądowych ogranicza się jedynie do możliwości urządzenia ochronnego.

Podsumowanie

Technologia GbE jest niezawodnym i rozpowszechnionym systemem komunikacji o wysokiej prędkości transferu danych. Tym niemniej każdy system przewodowy jest narażony na stany nieustalone energii powodowane zjawiskami takimi jak jak wyładowania atmosferyczne i elektrostatyczne (ESD). Takie udary są w pewnym stopniu łagodzone przez transformatory portów GbE, dławiki sygnałów wspólnych i obwody zakończeniowe, jednak środki te mogą okazać się nieskuteczne w odniesieniu do udarów sygnału różnicowego, które mogą uszkadzać warstwę fizyczną (PHY) sieci Ethernet. Dla systemów o znaczeniu krytycznym zaleca się stosowanie dodatkowej ochrony.

Diody TVS stanowią dobrą opcję, gdyż skutecznie obniżają maksymalne napięcie przejściowe do bezpiecznego poziomu, nie wymagają resetowania, są kompaktowe i stosunkowo niedrogie. Jako że dostępne zakresy parametrów komponentów ochronnych, w tym obsługiwane prądy szczytowe, są zróżnicowane, zaleca się staranne dopasowanie komponentu ochronnego do konkretnego zastosowania. Ponadto w celu zmaksymalizowania ochrony zapewnianej przez daną diodę TVS zaleca się przestrzegać dobrych praktyk projektowych, takich jak odpowiednie rozmieszczenie i uziemienie.