Hoe TVS-diodes te ontwerpen om Gigabit Ethernet te beschermen tegen spannings- en stroomtransiënten

Gigabit Ethernet (GbE) is een robuust, snel communicatiesysteem dat op grote schaal wordt gebruikt in woningen, commerciële en industriële gebouwen. Ethernet-systemen brengen echter uitdagingen met zich mee, met name wanneer de connectiviteit zich buiten het gebouw uitstrekt. Uitgebreide lijnen kunnen onderhevig zijn aan onverwachte hoge transiënte spanningen en stromen, en elektrostatische ontladingen (ESD) vormen een voortdurend risico.

De fysieke laag (PHY) van GbE omvat enkele componenten die een zekere mate van bescherming bieden, zoals de scheidingstransformator. Maar men kan er niet op vertrouwen dat de ingebouwde spanningsvermindering onder alle omstandigheden bescherming biedt.

TVS-dioden (Transient Voltage Suppression) zijn een beproefde, goedkope en robuuste circuitbeveiliging in toepassingen met beperkte ruimte en kosten, zoals GbE. Onder normale omstandigheden lijken de apparaten transparant. Toch moeten de apparaten meerdere communicatiekanalen beschermen tegen piekstromen tot 40 ampère (A) en ESD's tot 30 kilovolt (kV), en bij normaal gebruik een lage belastingscapaciteit handhaven om de integriteit van hogesnelheidssignalen te waarborgen.

Dit artikel beschrijft de ontwerpuitdagingen van GbE-hoogspanningsovergangs- en ESD-bescherming, en gaat vervolgens in op de unieke kenmerken van TVS-dioden die nodig zijn voor energie-onderdrukking. Het artikel beschrijft vervolgens enkele commerciële oplossingen voor het probleem, alvorens te laten zien hoe de geselecteerde apparaten kunnen worden ontworpen in systemen voor transiënte bescherming volgens normen als IEC 61000-4-2, -4 en -5.

De gevaren van transiënte spanningseffecten

GbE is een bekabeld hogesnelheidscommunicatiesysteem. Koperverbindingen dragen de differentiële signalen die de "nullen" en "enen" vormen van de digitale signaalstroom. Die koperdraad is echter ook het perfecte transportmechanisme voor hoge transiënte spanningen en ESD-gebeurtenissen die siliciumschakelementen kunnen beschadigen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Zonder bescherming kunnen GbE PHY's worden vernietigd door hoge transiënte spanningen en ESD. (Bron afbeelding: Semtech)

Het ontwerp van de GbE PHY omvat een zekere mate van bescherming via de scheidingstransformator. De GbE-specificatie (IEEE 802.3) vereist een minimale isolatie van 2,1 kV. De meeste commerciële transformatoren bieden 4 tot 8 kV isolatie. Verder bevatten GbE-interfaces doorgaans een common mode choke (CMC), een inductor die wordt gebruikt om hoogfrequente wisselstroom te blokkeren om ESD-pieken te helpen verminderen. Een laatste graad van bescherming komt van de "Bob Smith" beëindiging. Deze gebruikt een weerstand van 75 ohm (Ω) om een common-mode impedantie match te implementeren voor signaalparen die gezamenlijk via een condensator met massa zijn verbonden. De afsluiting kan helpen om de later besproken common-mode emissies te verminderen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De fysieke laag van GbE bevat enige ingebouwde bescherming tegen transiënte spanningen, waaronder een scheidingstransformator, een common-mode smoorspoel en een weerstandsafsluitcircuit. (Bron afbeelding: Semtech)

Alleen vertrouwen op de GbE PHY-isolatietransformator, de CMC en het afsluitingscircuit voor uitgebreide bescherming is riskant. Hoewel de componenten enige beperking van de transiënte spanning bieden, zijn er verschillende omstandigheden die de poort blootstellen aan schade.

GbE transiënte spanningsexcursies kunnen worden ingedeeld in gemeenschappelijke of differentiële modus. Tijdens een common-mode spanningstransiënt stijgen alle GbE PHY-geleiders onmiddellijk naar dezelfde spanning ten opzichte van aarde. Omdat alle geleiders hetzelfde potentiaal hebben, is er geen stroomoverdracht van de ene geleider naar de andere. In plaats daarvan loopt de stroom door naar de aarde. Een gemeenschappelijk pad voor de stroomstroming is door de geleider naar aarde via de middenaftakking van de transformator en door het afsluitcircuit (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een common-mode stroom van hoge transiënte spanning loopt via de RJ-45 connector naar aarde via de middenaftakking van de scheidingstransformator. (Bron afbeelding: Semtech)

De piek in de differentiële modus is anders. Op de ene signaallijn van het differentiële paar vloeit stroom naar de GbE-poort, door de transformator, en op de andere signaallijn weer uit de poort. De transiënte stroom die door de primaire wikkeling van de transformator loopt, induceert een stroomstoot in de secundaire wikkeling. Zodra de piek is verwijderd, zal de opgeslagen energie in de transformator worden overgebracht naar de plaats waar de kwetsbare GbE PHY zich bevindt. Het is deze overgedragen energie die in het beste geval leidt tot gegevensverlies en storingen en in het slechtste geval tot permanente schade (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een differentiële overspanning induceert stroom over de scheidingstransformator die gevoelige elektronische circuits kan beschadigen. (Bron afbeelding: Semtech)

Afbeelding 4 laat zien dat de differentiële-mode surge het gevaarlijkst is, aangezien deze de GbE PHY blootstelt aan potentieel schadelijke spanningen. Aan de secundaire zijde van de scheidingstransformator is extra bescherming nodig tegen deze pieken.

Gebruik van TVS-dioden voor overspanningsbeveiliging

Bescherming van de GbE PHY vereist apparaten die de grote transiënte energiepulsen kunnen isoleren, blokkeren of onderdrukken. Extra transformators kunnen de Ethernet-elektronica volledig isoleren, maar zijn omvangrijk en duur. Zekeringen zijn een goedkope manier van blokkeren, maar moeten na elke uitschakeling opnieuw worden ingesteld of vervangen. TVS-dioden zijn een goed compromis; zij onderdrukken de piekspanning effectief tot een veilig niveau, hoeven niet te worden gereset, zijn compact en redelijk geprijsd.

Structureel gezien is een TVS-diode een p-n-apparaat dat speciaal is ontworpen met een grote junctiedoorsnede om hoge transiënte stromen en spanningen te absorberen. Hoewel de spanning-/stroomkarakteristieken van een TVS-diode vergelijkbaar zijn met die van een zenerdiode, zijn de apparaten ontworpen voor spanningsonderdrukking en niet voor spanningsregeling. Een belangrijk voordeel van een TVS-diode is de snelle reactie (meestal binnen nanoseconden) op elektrische stroomstoten, waardoor de energie van de stroomstoot veilig naar aarde wordt afgevoerd en een constante klemspanning wordt gehandhaafd, in vergelijking met andere onderdrukkingsapparaten (figuur 5).

Afbeelding 5: Een TVS-diode biedt een pad met lage impedantie naar aarde voor transiënte spanningen boven een drempelwaarde. Daardoor staat het beveiligde circuit alleen onder een veilige spanning. (Bron afbeelding: Semtech)

Tijdens de normale werking heeft de TVS-diode een hoge impedantie voor het circuit voor spanningen tot zijn werkspanning (V_RWM). Wanneer de spanning over de klemmen van de diode de doorslagspanning (V_BR) overschrijdt, treedt lawineafbraak op in de junctie van de diode, waardoor deze "terugspringt" of overschakelt naar een aan-stand met lage impedantie. Dit verlaagt de spanning tot een geklemd niveau (V_C) terwijl de tijdelijke piekpulsstroom (I_PP) door het apparaat stroomt. De maximale spanning waaraan het beveiligde circuit wordt blootgesteld is gelijk aan V_C en is doorgaans bescheiden. Zodra de stroom afneemt tot onder de houdstroom (I_H), keert de TVS-diode terug naar een off-state met hoge impedantie (Afbeelding 6 en Tabel 1).

Afbeelding 6: Operationele kenmerken van de TVS-diode. Bij de doorslagspanning schakelt de component over naar een aan-stand met lage impedantie en verlaagt de spanning tot een veilig geklemd niveau wanneer de voorbijgaande piekstroom passeert. (Bron afbeelding: Semtech)

Tabel 1: Parameterbepalingen voor Afbeelding 6. (Bron tabel: Semtech)

TVS-dioden van gerenommeerde fabrikanten zijn ontworpen om interfaces te beschermen en tegelijkertijd te voldoen aan strenge immuniteitsnormen die zijn vastgelegd in documenten zoals IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) en IEC 61000-4-5 (bliksem).

IEC 61000-4-5, waarin staat hoe de overspanningsimmuniteit moet worden getest, geeft details over de typische overspanningsgolfvorm die wordt gebruikt om het vermogen van een TVS-diode te bepalen. De golfvorm simuleert een indirecte lichtinval en bereikt 90 procent van zijn piekstroomwaarde (tp) in 8 microseconden (µs) en neemt af tot 50 procent van zijn piekwaarde in 20 µs. Datasheets noemen dit vaak de "8/20 µs golfvorm", en geven details over de maximale piekpulsstroom (I_PP) van de golfvorm waartegen de beveiliging bestand is. Datasheets beschrijven ook de reactie van het product op de bijbehorende spanningspiekgolfvorm veroorzaakt door een indirecte verlichting van 1,2/50 µs (een tijdelijke piekspanning die zijn piekspanning bereikt in 1,2 µs en afneemt tot 50% van zijn piekwaarde in 50 µs).

Het andere belangrijke beveiligingskenmerk van een TVS-diode is zijn "ESD-bestendigheidsspanning". Dit is de maximale ontladingsspanning voor statische elektriciteit die de beveiligingsinrichting kan verdragen zonder schade op te lopen en ligt meestal in de orde van grootte van tientallen kV.

TVS-dioden voor GbE PHY-bescherming

Naast GbE zijn TVS-dioden beschikbaar voor de bescherming van een reeks interfaces, waaronder HDMI, USB Type-C, RS-485 en DisplayPort. Maar elk van deze interfaces vereist subtiel verschillende niveaus van bescherming. Daarom is het belangrijk dat de TVS-diode voor de specifieke toepassing wordt ontworpen.

Semtech, bijvoorbeeld, maakt een reeks TVS-dioden gericht op GbE-interfacebescherming. De apparaten worden vervaardigd met behulp van een procestechnologie die volgens Semtech resulteert in verminderingen in lekstroom en capaciteit ten opzichte van andere silicium-avalanche diode processen. Een ander voordeel van de productreeks is dat deze een lage bedrijfsspanning heeft van 3,3 tot 5 volt (afhankelijk van de versie) om energie te besparen.

De RailClamp-serie omvat bijvoorbeeld de RCLAMP0512TQTCT die geschikt is voor 2,5 GbE-interfacebescherming. Dit apparaat heeft een I_PP-capaciteit van 20 ampère (A) (tp = 8/20 en 1,2/50 µs) en een piekpulsvermogen (P_PK) van 170 watt. De ESD-bestendigheidsspanning is +/-30 kV. De V_BR is 9,2 volt (typisch), _IH is 150 milliampère (mA) (nom.), en V_C is 5 volt nominaal en 8,5 volt maximaal (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De klemspanningskarakteristieken van de RCLAMP0512TQTCT bij blootstelling aan een stroomstoot van 1,2/50 µs en 8/20 µs met een piek van 20 A. Na een kortstondige piek daalt de klemspanning tot onder de 5 volt, waardoor de GbE PHY wordt beschermd. (Bron afbeelding: Semtech)

De RCLAMP0512TQ is een compact apparaat in een 3-pins SGP1006N3T-pakket van 1,0 x 0,6 x 0,4 millimeter (mm).

Er zijn andere producten in de Semtech RailClamp-serie die meer bescherming bieden voor 1 GbE-toepassingen die in potentieel gevaarlijkere situaties worden gebruikt. De RCLAMP3374N.TCT heeft bijvoorbeeld een I_PP-capaciteit van 40 A (tp = 8/20 en 1,2/50 µs) en een P_PK van 1 kilowatt (kW). De ESD-bestendigheidsspanning is +/-30 kV. V_C is 25 volt (max) wanneer I_PP = 40 A. Het onderdeel meet 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

Het middelste apparaat in de RailClamp-serie is de RCLAMP3354S.TCT. Deze is geschikt voor 1 GbE-bescherming en biedt een I_{PP-capaciteit} van 25 A (tp = 8/20 en 1,2/50 µs) en een P_PK van 400 watt. De ESD-bestendigheidsspanning is +/-30 kV. V_C is 16 volt (max) wanneer I_PP = 25 A.

Ontwerpen van TVS-diodebescherming

Afbeelding 8 toont een GbE PHY-beschermingsregeling die gebruik maakt van de RCLAMP0512TQTCT. De apparaten bevinden zich aan de PHY-zijde van de transformator ter bescherming tegen differentiële pieken, waarbij één apparaat tegenover elk Ethernet-lijnpaar wordt geplaatst. De Ethernet differentiële paren worden door elke TVS-diodecomponent op pin 1 en 2 geleid, waarbij pin 3 niet is aangesloten.

Afbeelding 8: De beschermingscomponenten van de TVS-diode zijn geplaatst aan de Ethernet PHY-zijde van de transformators, over elk differentieel lijnpaar en zo dicht mogelijk bij de PHY-magnetica. (Bron afbeelding: Semtech)

De ingenieur moet de parasitaire inductie in het beschermingspad beperken door de beveiligingscomponent zo dicht mogelijk bij de Ethernet PHY-magnetica te plaatsen, en bij voorkeur aan dezelfde kant van de printplaat. Het helpt ook als aardingsverbindingen rechtstreeks op de aardingsplaat van de printplaat worden gemaakt met behulp van microvia's.

De vermindering van de parasitaire inductie is vooral belangrijk voor het onderdrukken van snelle stijgtijd-transiënten. Inductie in het pad van de beveiligingsinrichting verhoogt de V_C waaraan de beschermde inrichting wordt blootgesteld. V_C is evenredig met de padinductie maal de stroomverandering tijdens de piek. Bijvoorbeeld, slechts 1 nanohenry (nH) aan padinductantie kan de piek V_C met 30 volt verhogen voor een ESD-puls van 30 A met een stijgtijd van 1 nanoseconde (ns).

Merk op dat de gekozen Ethernet-transformator de verwachte pieken zonder defecten moet kunnen doorstaan. Een typische Ethernet-transformator is bestand tegen enkele honderden ampères (tp = 8/20 µs) voordat een storing optreedt, maar dit moet door middel van tests worden geverifieerd. Als de overspanningsimmuniteit van de transformator verdacht is, kan de beveiligingscomponent ook aan de lijnzijde van de transformator worden geplaatst. Het nadeel is dat de extra bescherming die de transformator biedt, dan verloren gaat, en het vermogen van het GbE-systeem om hoge energiepieken te weerstaan, beperkt is tot alleen het vermogen van de beveiliging.

Conclusie

GbE is een betrouwbaar en wijdverbreid hogesnelheidscommunicatiesysteem, maar alle systemen die gebruik maken van geleiders zijn onderhevig aan energietransiënten ten gevolge van verschijnselen als bliksem en ESD. Dergelijke pieken worden tot op zekere hoogte beperkt door de transformator, CMC en het afsluitcircuit van de GbE-poort, maar differentiële pieken kunnen deze onderdrukking omzeilen en de Ethernet PHY beschadigen. Aanvullende bescherming wordt aanbevolen voor kritieke systemen.

TVS-dioden zijn een goede optie, omdat zij de piektransientspanning effectief onderdrukken tot een veilig niveau, niet hoeven te worden gereset, en compact en gemiddeld geprijsd zijn. Zorgvuldige afstemming van de beveiligingscomponent op de toepassing wordt aangeraden, aangezien zij beschikbaar zijn in een breed scala van mogelijkheden, waaronder piekstroombeveiliging. Bovendien wordt aanbevolen zich te houden aan goede ontwerprichtlijnen, zoals positie en aarding, om de bescherming van een bepaalde TVS-diode te maximaliseren.