技術文章

當前頁面: 首頁 >技術文章 >關于以太網保護電路設計的討論

關于以太網保護電路設計的討論

供稿:韜睿(上海)計算機科技有限公司 2019/6/28 17:10:59

0 人氣:3

  • 關鍵詞: NXP Ethernet Protection
  • 摘要:以太網通信在各個領域里得到了廣泛的應用,為設備之間的互聯提供了便利的連接方案。而對功耗、速度和功能的追求,PHY 芯片的加工工藝也從65nm、45nm過渡到更先進的制程技術,因而對PHY 應用電路也提出更高的要求,特別是 ESD 防護、浪涌等。下面我們將就以太網保護電路做一些討論,希望讀者可能從中受到啟發, 設計出符合其應用場景的方案*。

以太網通信在各個領域里得到了廣泛的應用,為設備之間的互聯提供了便利的連接方案。而對功耗、速度和功能的追求,PHY 芯片的加工工藝也從65nm、45nm過渡到更先進的制程技術,因而對PHY 應用電路也提出更高的要求,特別是 ESD 防護、浪涌等。下面我們將就以太網保護電路做一些討論,希望讀者可能從中受到啟發, 設計出符合其應用場景的方案*


由于以太網多樣性和復雜性,如入網設備可能是常見的交換機、路由器,也可能是網絡攝像頭、服務器或者其他專用設備,而網絡走線長度也從數十厘米到最長100米,不確定的網絡環境為每個接入設備帶來了威脅,例如ESD靜電放電(Electrostatic Discharge)、CDE線纜放電(Cable Discharge)、EFT快速瞬變脈沖群(Electrical Fast Transients))以及雷擊浪涌等。這些威脅按照其電氣信號的特點分為兩大類,快速上升時間事件和緩慢上升時間事件,當然這里快速和緩慢是相對的概念,分別是納秒和微秒的區別。

image001.jpg

圖 1 快速上升時間事件和緩慢上升時間事件

ESD、CDE和 EFT 屬于快速上升時間事件,這些事件的波形上升時間往往在納秒級別,很多在1納秒以內。ESD 是最常見的一種,來自于接觸放電,無論是直接的接觸還是通過空氣間接接觸。ESD 有幾個模型,HBM(模擬人體接觸),MM(設備對地放電)和CDM(集成電路對接地金屬外殼放電)。人體,特別是手指接觸產生的靜電釋放是很多設備面臨的問題,根據環境濕度不同,有時候可以產生上千伏的靜電。表1 是幾種靜電產生情況,部分靜電的電壓可以超過一般變壓器的上限。

表 1靜電生成案例

不同濕度下的靜電生成情況

生成方法

相對濕度 10-25%

相對濕度 65-90%

地毯上行走

35000 V

1500 V

乙烯基瓷磚上行走

12000 V

250 V

坐在工作臺凳子

6000 V

100 V

凳子上提起塑料袋

20000 V

1200 V

聚氨酯泡沫椅子

18000 V

1500 V

CDE 可以認為是靜電釋放的一種,但是又區別于ESD。根據 IEEE 802.3 標準,以太網線可以長達 100米。Cat-5 或者 Cat-6 雙絞線可以視作一個電容器件,具有非常低的漏電屬性。因而在摩擦(例如機器震動)或者互感的情況下,雙絞線上可以累積電勢。并且在插入網線的瞬間釋放電能。

EFT 通過是在開關或者繼電器在電弧接觸的過程中產生的。一般頻率在2K到5KHz 之間,脈沖群可以持續幾個十毫秒。表2 是 IEC 61000-4-4 關于 EFT 的防護等級。

表2 IEC61000-4-4 等級

kV

峰值幅度

電源

I/O信號,數據和控制線

Voc(kV)

Isc(A)

Voc(kV)

Isc(A)

1

0.5

10

0.25

5

2

1

20

0.5

10

3

2

40

1

20

4

4

80

2

40

浪涌和雷擊則能夠對設備造成更大的破壞,特別是有網絡布線暴露在戶外的。其電壓可達到6KV以上,電流 100A,并且持續時間也比上述威脅更長。當然現在很多建筑物都有避雷措施,以及在入戶的時候安裝防雷、防浪涌的器件。但是對于戶外設備,過長的網絡走線往往會受到雷擊、閃電的干擾。

表 3 是 ITU K.20 關于雷擊的測試標準。

電壓 (10/700us)

電流(5/310us)
 基本/增強(A)

重復

通過標準

單金屬接口和縱向
 基本/增強

多金屬接口僅縱向
 基本/增強

1kV/1.5kV


25/37.5

±5

A

4kV/4kV


100/100

±5

A


1.5kV/1.5kV

37.5/37.5

±5

A


4kV/6kV

100/150

±5

A

針對上面提到兩類事件,由于它們電氣信號的特點,如上升時間和電壓/電流強度不同,我們往往會采用不同的保護器件來應對。快速上升時間時間一般可以通過半導體元件,如 TVS實現過壓保護。而緩慢上升時間事件一般其電流較大,往往會超過很多半導體材料的上限,因而采用陶瓷氣體放電管、抗浪涌保險絲等。而在設計保護電路時,更多我們使用的是共模和差模干擾概念。因為上面的幾種情況,最終都會在電路上生成共模和差模信號。如雷擊、閃電更多的為設備帶來共模干擾,其會通過互感或者提升接地面電壓給所有的雙絞線對或者設備接地造成整體的電壓上升。而 ESD或者 CDE 由于放電對象的不確定性,可以造成共模或者差模干擾。在有些情況下,共模干擾又會轉變為差模干擾。所以我們會針對共模和差模干擾進行設計,并根據信號特點選擇合適的器件。下圖是共模和差模干擾的模型。

image002.png

圖 2 共模和差模干擾的模型

保護策略

在討論保護策略的時候我們需要知道電壓本身并不會引起設備或者器件的損壞,如本身帶有上千伏靜電的設備卻可以正常工作。往往是電壓引起的電流會造成破壞。因而我們將根據兩個基本的策略來實施,第一,阻止干擾信號的電流,第二,對于不可避免的電流,將其引導至設計的安全路徑,并確保該路徑上的所有環節都可以承受預計的電流。這對共模或者差模干擾都是一樣的。

共模干擾防護

變壓器作為網線接入設備后信號抵達的第一個器件,在共模干擾上是第一道防線。根據 IEEE standard 802.3 規定變壓器需要提供 1500VRMS 的信號隔離,峰值約為2.1kV。實際上大部分編譯器往往能夠承受4kV 到 8kV 的電壓,這是抵御共模干擾的一個很有用的特點。但必須注意的是,標稱 1500VRMS 的變壓器不一定都可以實現超額保護,這還取決于不同的生產廠商、批次等,最好查看對應的技術手冊,或者采用明確可以提供更高防護等級的變壓器。

對于需要更高的防護等級,如GR974-CORE、ITU K2.8,可以在變壓器前端使用能夠承受5000V和250A電流的 TSS半導體放電管或者10~20kV 的GDT 陶瓷氣體放電管。如圖3 所示,并串入較小的電阻 R1和 R2,這可以是放電電流往導向電阻更小的通道,而不是經過變壓器。當然 R1/R2 在雙絞線的引入,可能會影響到以太網一致性測試,因此需要用戶權衡是否使用該電阻以及使用多大的電阻,其帶來的影響能否滿足需求。

image003.png

圖 3 共模干擾保護

在PCB 布線時,我們也有可能忽視下面問題,過小的走線間距,EMC 設計時沒有使用足夠耐壓的原件。

圖4 中的 C1 和 R1 時為了符合802.3 EMC 標準常用的方案,稱為 Smith termination 。這里 C1 會成為抑制共模干擾的薄弱點。一旦干擾電壓超過C1 的最大耐壓值將其擊穿,那么電流就會進入PHY 電路。因此需要仔細選擇合適的器件,或者在EMC 測試允許的情況下,不使用該設計。

image004.png

圖 4 Smith termination

對于帶有 LED 指示燈的RJ45,在使用時也需要值得注意。LED 控制信號一般直接和 PHY 連接。需要確保LED 和 RJ45 金屬外盒有足夠的間距,如4mm以上,如果可能最好查閱其手冊是否有關于 LED 和金屬外殼之間空氣擊穿電壓的說明。并酌情對LED 的電源和控制信號添加保護,如采用TVS和光耦。

image005.png

圖 5 RJ45 LED 連接

差模干擾防護

變壓器對于差模干擾信號僅相當于1到2歐姆的等效電阻,相比于共模干擾我們需要其他的措施來防護。差模干擾一般通過變壓器耦合,在次級上產生電流。而變壓器次級連接的時PHY,因而直接對PHY 造成破壞。下圖是 2/10us 100A 干擾信號經過變壓器耦合后在次級上情況。盡管由于變壓器自身達到飽和,只在次級上耦合產生了幅度和時間都相對初級上較小的干擾信號。根據Q=I2t 計算電流能量,在次級上至相當于初級的 2%,但是25A, 3us 的干擾足夠損壞PHY 芯片。

image006.png

圖 6 差模信號變壓器次級耦合

根據前面提到的兩個策略,我們仍舊從阻止干擾電流和將干擾電流導向安全路徑兩個角度出發來考慮差模干擾的防護。

為了盡可能地衰減次級耦合電流,我們首先考慮有效降低變壓器初級電路上的電流。在變壓器前端加入過流保護器件,當電流瞬間變大時,F1~F4 的電阻會相應增加從而抑制電流。

image007.png

圖 7 過流保護

對于進入變壓器次級電路的耦合電流,一般采用容抗低、響應快的TVS 瞬態抑制管。如圖8,過高的電壓會使 D1 導通,將干擾電流通過 D1 釋放,避免直接沖擊 PHY。有諸多廠商提供了TVS 保護器件,用戶需要結合自己的應用場景,從TVS 的導通電壓、最大電壓和功率、容抗特性以及成本方面選擇合適器件。通常在 PHY 鏈路上引入額外的組件,也有可能會以太網一致性測試產生影響。

image008.png

圖 8 TVS 瞬態抑制管應用

PoE

由于可以免去設備的單獨供電線路,在安防、工業現場甚至辦公室、家庭環境中都出現了支持 PoE 的網絡。然而將不支持 PoE 的設備直接接入PoE 網絡往往會引起設備損壞,盡管標準的 PoE 供電端會帶有過流檢查。因此用戶應該避免上述操作。或者在PCB 設計的時加入相應的 PoE 電路,但這會帶來額外的成本,并且該功能對設備來講是非必要的。下圖是一種參考設計,可以兼容PoE 802.3af Standards A 和 B 。

image009.png

圖 9 PoE 設計

總結

本文就以太網保護設計方面提出設計策略以及幾種應對的設計思路,正如不同的標準中都有多個級別的防護等級,用戶需要根據實際的項目應用場景來選擇合適的方案,這包括PCB 設計、器件選擇、成本、信號一致性等。而以太網防護并不是一個獨立的設計,如上面提到的 Smith termination,甚至電源、信號和機殼接地等多個因素都有可能將干擾源耦合到以太網鏈路中。

參考:

https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics

https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics/page/0/1

https://interferencetechnology.com/defending-ethernet-ports-from-electrical-transient-events/

https://incompliancemag.com/article/designing-ethernet-cable-ports-to-withstand-lightning-surges/

https://www.littelfuse.com/~/media/electronics/design_guides/esd/littelfuse_ethernet_protection_design_guide.pdf.pdf

http://www.protekdevices.com/xyz/documents/kb/tech/an1011.pdf

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/83/4f/8e/b6/5c/79/4e/bb/CD00242140.pdf/files/CD00242140.pdf/jcr:content/translations/en.CD00242140.pdf

https://www.mouser.com/pdfdocs/Semtech_Protection_Design_Telecom_Network.pdf

https://www.onsemi.cn/PowerSolutions/document/TND410-D.PDF


審核編輯(王靜)
更多內容請訪問 韜睿(上海)計算機科技有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=16879)

手機掃描二維碼分享本頁

工控網APP下載安裝

工控速派APP下載安裝

 

我來評價

評價:
一般
拱趴十三水