中心議題：
- 爬電距離和PCB走線間隙
- 雷擊引起的浪涌、靜電放電、電快速瞬變和電纜放電事件
- 保護器件的電路連接
- 以太網端口保護器件選型參數
除了合適的器件爬電距離和電氣走線間隙之外，良好的以太網端口設計實踐還需要過壓和過流保護器件。算出印制電路板(PCB)的爬電距離和電氣間隙之后，我們必須為以太網I/O連接的兩端都選擇保護器件，即線路(RJ-45)側和驅動器(物理層或PHY)側。本文用以太網保護器件最常用的多通道瞬態電壓抑制器(TVS)二極管陣列為例介紹以太網端口保護的智能化方案。
以太網保護器件一般是多通道瞬態電壓抑制器(TVS)二極管陣列，在各種保護技術中，這種陣列可以提供最低的箝位電壓。它們提供了各種各樣的小形封裝，從用于單端口保護的單個器件到保護多條線路的多個器件。這些器件全部整合在一個封裝內，從而最大限度降低了對電路板的空間要求。
TVS二極管陣列在以下情況下使用：被保護的PHY電路需要低箝位電壓、典型值為0.4pF至5pF的低電容以及0.1μA至25μA的低漏電流;必須對多條線路提供保護并且電路板空間有限時;由于各種威脅因素而出現瞬態電壓時。
必須為以下四種主要的過壓電氣威脅選擇具有合適特性的TVS二極管陣列：雷擊引起的浪涌、靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和電纜放電事件(CDE)。低電容在這些器件中尤其重要，它可以避免信號失真，特別是在吉比特以太網電路中。
TVS二極管陣列必須連接在一起，以確保能夠充分地抑制這些威脅因素。根據實際情況，它們應盡可能靠近電氣威脅的進入點，同時將相同的地參考作為要保護的PHY.
威脅抑制可能需要考慮其他的設計因素，比如使用保險絲，將電源線旁路電容接地(靠近PHY電源輸入引腳)，以確保實現正常的電源濾波。應根據IEC或其他相關標準對PCB原型進行測試，以驗證PCB布局是否具有合適的爬電距離和電氣間隙。這在出現電力故障和浪涌情況時，有助于防止電弧形成，并使TVS二極管陣列能夠有效地抑制這些事件的發生。
爬電距離和PCB走線間隙
為了防止以太網PCB上出現介電擊穿和火花，線路側和地應設置足夠的爬電距離和走線間隙。爬電距離是兩個導電部件之間或者一個導電部件與設備的邊界面之間沿絕緣體表面所測得的最短路徑。
足夠的爬電距離可以防止漏電起痕，該過程會在絕緣材料表面產生局部衰減的部分傳導通路，從而在絕緣表面或附近產生放電。
漏電起痕的程度取決于兩大因素：PCB材料的相對漏電起痕指數(CTI)以及諸如高度、濕度和污染物等環境因素。CTI指標提供了在標準測試時由于漏電起痕引起故障的電壓的數值。IEC 112標準給出了漏電起痕和CTI的全面說明。
電氣間隙是兩個導電部件(比如電路板走線)之間或者導電部件與設備的邊界面之間在空中測得的最短距離。電氣間隙有助于防止部件之間由于空氣電離而產生的介電擊穿。介電擊穿水平還受PCB CTI等級、工作環境的相對濕度、溫度和污染程度的影響。
板級設計人員經常會在計算爬電距離和電氣間隙時考慮峰值工作電壓，不過還需要考慮電氣瞬態過程。有些瞬態電壓甚至高達幾千伏。
實驗室測試表明，要耐受2kV的瞬態電壓，FR4電路板走線間距應至少為25mil.不過，對于標準以太網雙絞線為5mil、走線寬度為5mil的以太網板布局，該電氣間隙可能太大了。
這是瞬態保護的另一個重要原因：降低高壓使間距可以更小，即高壓會由于TVS二極管陣列的箝位作用而得到抑制。在UL 60950-1標準中，表2K表明，2.8kV的最小電氣間隙為8.4mm(330mil)，1.4kV的最小電氣間隙為6.4mm(252mil)。不過這針對的是穩態電壓，而不是針對發生浪涌時快速上升的dv/dt.因此，通過TVS保持走線之間的電勢差對于電路板布局來說至關重要。
了解瞬態事件的特性和極性有助于指導設計人員開發出最好的以太網端口保護方案。有了這種理解之后，就可以很好地把握如何定位和連接保護器件。
雷擊引起的浪涌
大多數標準、建議或法規都將共模(縱向)浪涌要求界定為最低抗擾度級別。這些共模事件可以轉換成差分(金屬)事件。因此，有些標準、建議和法規還可以定義差分浪涌要求抗擾度級別。GR-1089-Issue 6,2 IEC 61000-4-5和ITU K20/21對波形的產生和測試過程有所介紹。
圖1顯示了這兩種案例的測試裝置。在差分模式下，兩個導體或引腳(即J1和J2)連接在測試設備的正負兩端，因此在RJ-45端口處插入的浪涌事件僅出現在這兩個導體之間。大部分能量都在圖2所示的線路側保護裝置TVS1(x2)中耗費。不過，有些能量也會通過變壓器耦合，在變壓器的驅動器側產生共模或差分事件。
圖1:在差分測試中，兩個導體或引腳連接測試設備的正負兩端。
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對于共模測試而言，單個導體或數據線路本身將會相對于地進行測試。波形發生器輸出將被連接到所有的導體或引腳(J1、J2、J3和J6)，其地參考將連接至PCB地參考。請務必注意這可能并不是與PHY GND相同的參考點，而取決于應用程序的具體設計。
很多情況下，PHY GND與PCB的模擬地都是隔離的。這是使用耦合變壓器的一個優勢。在這種情況下，變壓器上應只耦合很少的能量。不過由于繞組間電容的影響，TVS1與變壓器相結合不會阻止所有的能量傳送至PHY端。這些能量將通過變壓器的磁性元件經由電容耦合到其驅動器側，這些能量可能會在以太網PHY出現共模或差分事件(或者兩者同時出現)時產生。
為符合IEEE 802.3標準的隔離要求，圖2中的線路側保護器件TVS1可能不會將其接地引腳(2、3、6和7)接地。盡管根據IEEE 802.3對UL-60950-1的引用，這種接地連接可被允許。如圖2所示，TVS2始終將其I/O引腳連接至差分對。
圖2:在兩個引腳之間的RJ-45端口處出現浪涌事件時，大部分能量在線路端保護裝置中耗散，而部分能量則通過變壓器在變壓器驅動器側產生共模或差分事件。
不過，與線路側保護器件不同的是，該器件將其接地引腳連接至局部地平面，并將其參考引腳連接至PHY VCC(Littelfuse公司建議使用這種配置)。如果未連接接地引腳的話，TVS2就會僅成為差分保護器件，并會潛在地允許具有破壞性的共模事件通過未箝制的PHY.
靜電放電
靜電放電(ESD)是小電路走線和器件的常見威脅。靜電放電是由人體的靜電電荷傳輸到電路所引起的，瞬態電壓峰值高達15kV并不常見。在不太嚴重的情況下，ESD可能會導致錯誤的電路操作或者之后將發展成徹底故障的潛在缺陷。
ESD抑制器必須具有極快的響應時間，頻繁地處理持續時間較短的高峰值電壓和電流。TVS二極管陣列是箝位器件，可將瞬態電壓限制在設定值。TVS的低動態電阻使其能夠在超出其箝位閾值時，將這些高壓ESD事件箝制在極低的電平(想想I×R)。一旦瞬態電壓降到TVS器件的反向斷態電壓以下，TVS器件就將停止傳導。根據IEC61000-4-2標準，進行抗ESD測試的設備將通過接觸和空氣放電來進行測試。在測試中注入ESD的方法非常之多，比如IEC61000-4-2標準中給出的一些方法。但是在任何情況下，ESD脈沖都是以RJ-45連接器線路側的共模事件出現，因為此放電事件以地為參考。保護器件被連接在一起，并根據上文討論的共模事件進行測試。
電快速瞬變
根據IEC61000-4-4,進行抗EFT測試的設備與進行共模雷擊浪涌的測試非常相似。在圖3所示的較典型的配置中，所有的導體(或引腳)都連接至測試發生器的正極端，并相對GND產生浪涌。
圖3:在電快速瞬變(EFT)測試的典型配置中，所有的導體/引腳都連接至測試發生器的正極端。施加的浪涌是以地為參考施加的。
若不是在以太網供電(PoE)應用中，就不需要使用耦合電容器，在以太網供電應用中，33nF的電容值應該就已足夠。如果數據線路具有良好均衡，那么雙絞線對之間就只有很少的差分能量或者不存在差分能量。不過，變壓器的耦合電容還是會將共模能量傳送到驅動器端，盡管能量有所減少。
電纜放電事件
電纜放電事件(CDE)在產生方式和波形特性方面都不同于ESD.CDE事件一般是在PVC包覆的CAT5非屏蔽雙絞線(UTP)電纜拉在尼龍地毯或者瓷磚地板上時發生的，因為這種地板會導致電荷在電纜上逐漸聚集。同樣，通過導管或者其他網絡電纜鋪設時，電荷也會在電纜上聚集。雙絞線電纜由于儲存了電荷，因此就像電容一樣。
不過，只有當電纜無終端，并且電荷不會立即耗散時(即電纜的兩端未插入系統)，電荷才會逐漸聚集在一起。新型CAT5和CAT6電纜的介電泄漏極低，往往可以將電荷保持很長一段時間。在相對濕度較低的環境中，電荷保持時間會延長。
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當帶電的UTP電纜插入RJ-45網絡端口時，將有很多可能的放電通路。這種瞬態電流會選擇電感最低的通路，可能是位于穿過Bob Smith交流終端或者硅器件的變壓器中的兩條PCB走線之間的RJ-45連接器。這樣，以太網收發器或者上述提到的任何器件都會受損。
電荷量取決于電纜的長度(圖4)。研究表明，無終端的雙絞線電纜可以累積高達幾千伏的電荷。對于電纜長度超過60m的系統，應采取額外的CDE預防措施。
圖4:不同長度的CAT5以太網電纜的電壓主要是由于靜電電荷隨時間的積累而形成。本圖顯示了長度從10m至110m的電纜的特性曲線。
CDE波形并不像上文所述的任何一種其他的威脅。根據耦合機制的不同，CDE可以是差分的，也可以是共模的。雖然它可能有很大變化，不過其一般特性是具有表現電壓和電流驅動的高能量。波形在數百納秒的時間內展開，同時實現快速極性翻轉(圖5)。在這個實驗中，PHY的發送器受到損壞，無法發射網絡上的封包。
圖5:圖示顯示了在25ft雙絞線被充電至1.5kV后，以太網PHY的發送器引腳處的破壞性CDE波形。
系統設計人員可以按照上文所述，通過理想的布局實踐(器件爬電距離和走線間隙)來最大限度地防止CDE.TVS二極管陣列有助于將IC和其他敏感器件中的能量轉移。變壓器電路還有助于防止出現共模瞬變。
需要記住的是，IEEE 802.3標準主張，2.25kVdc和1.5kVac的隔離電壓可以防止由CDE產生的高壓導致的連接器故障。為了防止發生這些事件時形成電弧，這些隔離要求適用于RJ-45連接器和隔離變壓器。根據此IEEE 802.3文檔中對UL-60950-1的引用，任何接地保護都可以從隔離測試中去掉，不過任何浪涌測試都需要重新安裝這類接地保護。
在耦合變壓器和RJ-45連接器之間的TeleLink保險絲(見圖2線路側保險絲)，可以保護電路不出現過流浪涌。串火(power cross)事件和附近交流線路的浪涌耦合一般會導致出現這些浪涌。
保護器件的電路連接
TVS二極管陣列保護器件的大多數電路連接都在上文中雷擊引起的浪涌部分有所介紹，這部分重點介紹了耗散瞬態能量的接地技巧。I/O連接如圖2所示。
大多數TVS二極管陣列常見的剩余引腳一般都標注為VCC.該引腳應連接至以太網PHY電源軌(諸如5V、3.3V等)，如圖2中的驅動器(PHY)側器件(TVS2)所示。請務必確保保護器件的斷態電壓或VRWM高于供電電壓，以防止保護的穩態激活。
TVS二極管陣列采用多種半導體技術，從而使其能夠提供兩種保護(圖6)。第一，它們通過二極管吸收瞬態電壓，使電流繞開受保護的電路或器件。第二，雪崩或齊納二極管將電壓箝制至安全電平。
圖6:以太網驅動器(PHY)側TVS二極管陣列的內部連接顯示了瞬變通路，通過雪崩二極管或齊納二極管將瞬態電壓從敏感電路中轉移，并箝制到安全電平。
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TVS二極管陣列在特定的浪涌電流波形測試中具有一個箝位電壓。該箝位電壓必須足夠低，以保護以太網PHY,但也不能過低，否則會干擾正常的穩態信令。
通過將這類器件的VCC引腳連接至電源，TVS二極管陣列將由于電源和旁路電容提供的額外電流通路實現較低的箝位電壓(參見圖6中的紅線)。它可以看作是一個電阻分壓器，在這種電阻分壓器中，瞬態電壓進入控向二極管，并產生兩條通路：一條通過內部TVS接地，一條通過旁路電容和電源接地。
結果表明，將VCC引腳連接至電源會實現更好的箝位性能，從而根據旁路電容的正確布局，為以太網PHY提供更好的總體保護。如果沒有正確選擇和放置此旁路電容，那么連接至電源軌將會引起瞬變損壞。
還應注意的是，某些二極管陣列具有展現回跳特性的內部TVS二極管，因此如果電源連接至外部，就可能受到損壞。在這種情況下，TVS二極管陣列的VCC引腳不應連接。
為VCC引腳加偏壓的另一個好處是，它能夠降低從I/O到GND的電容，而不是讓它浮置或是斷開連接。這對于防止信號加載和互調失真來說至關重要，特別是在吉比特以太網電路中。設計人員應參考用來保護以太網PHY的具體器件的數據手冊，以便了解該電容的值，該值部分取決于VCC偏壓電平。
器件選型參數
除了低電容之外，選擇以太網保護器件時要考慮的另一個特性是動態電阻(RDYN)或者TVS器件處于活動或導通狀態時的有效硅電阻。RDYN應該足夠低，以確保具有快速響應時間和低箝位電壓，即低I×R和R×C因數。
需要評估的其他器件因素包括反向斷態電壓(VRWM)、峰值浪涌電壓、峰值浪涌電流定額(IPP)、ESD額定值、反向漏電流(IR)、箝位電壓(VC)和峰值脈沖功率定額(PPK)。下表列出了圖2中的保護裝置的典型參數值。
除了這些選擇標準之外，保護器件還必須適合電路板空間，并且能夠提供適合可用安裝和焊接設備的封裝配置。主要考慮因素是選擇一個能夠保護以太網電路板及其器件，并且能夠不出現故障地頻繁實現這種保護的TVS二極管陣列。保護器件廠商會提供各種應用支持，幫助您在選型時做出明智的決策。
