圖1 使用TVS二極管陣列為以太網介麵提供二階段式防雷保護

了解威脅

雷電感應浪湧：根(gen)據(ju)所(suo)遵(zun)循(xun)的(de)標(biao)準(zhun)或(huo)者(zhe)規(gui)則(ze)
，雷(lei)擊(ji)浪(lang)湧(yong)可(ke)以(yi)是(shi)差(cha)模(mo)或(huo)是(shi)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)波(bo)形(xing)的(de)共(gong)模(mo)。在(zai)差(cha)模(mo)中(zhong)，測(ce)試(shi)設(she)備(bei)的(de)正(zheng)極(ji)端(duan)子(zi)和(he)負(fu)極(ji)端(duan)子(zi)之(zhi)間(jian)連(lian)接(jie)著(zhe)兩(liang)個(ge)導(dao)體(ti)或(huo)引(yin)腳(jiao)(即J1和J2)，因此在RJ-45端口上進入的能量隻在這兩個導體之間出現(見圖2)。該能量將在線路側的保護器件(這裏顯示的是Littelfuse公司的SP03係列矽保護陣列)上消散，但部分能量也會傳遞到變壓器，在變壓器的驅動端上或如該例所示的Tx+和Tx-數據線之間造成差分事件。

 

圖2 以太網介麵的差模和共模測試設置(僅用於快速以太網)

對於共模測試，個別導體或數據線自身將對GND進行測試。測試設備的正極端將連接到所有的導體或引腳(即J1
、J2、J3和J6)
，負極端連接到GND(見圖2)。在這種情況下，假設線路阻抗緊密匹配
，在SP03器件上消散的能量將非常地少。大部分能量將通過變壓器的磁性材料電容性耦合至變壓器的驅動端，變為以太網PHY的共模事件。

靜電放電(ESD)：評估設備的ESD抗擾性(按照IEC 61000-4-2標準)可以通過接觸或空氣放電進行。注入ESD有多種方法

，但是在所有情況下，由於釋放的能量關係到GND
，ESD脈衝在電路上是以共模事件出現的。

電氣快速瞬變(EFT)：檢查設備的EFT抗擾性(按照IEC 61000-4-4標準)與對共模雷擊浪湧所做的測試非常相似。在圖3所示的比較典型的配置中，所有導體(或引腳)均電容性耦合至測試發生器的正極端，且對於GND顯示“激增”。如(ru)果(guo)數(shu)據(ju)線(xian)均(jun)衡(heng)良(liang)好(hao)
，在(zai)組(zu)對(dui)之(zhi)間(jian)將(jiang)不(bu)會(hui)有(you)差(cha)分(fen)能(neng)量(liang)，但(dan)是(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)會(hui)再(zai)次(ci)將(jiang)共(gong)模(mo)能(neng)量(liang)轉(zhuan)移(yi)到(dao)驅(qu)動(dong)端(duan)，即(ji)使(shi)是(shi)以(yi)較(jiao)低(di)的(de)水(shui)平(ping)。
 

圖3 以太網介麵的典型EFT測試設置(僅用於快速以太網)

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電纜放電事件(CDE)

電纜放電事件(CDE)：CDE是一種應該與靜電放電(ESD)加以區分並作單獨考慮的現象。雙絞電纜的特點和其環境的知識在了解CDE上起著重要的作用。頻繁變化的電纜環境還增加了在防止CDE損害上的挑戰。係統設計人員通過良好的布局做法和精心的元件選擇可以最大限度地進行CDE保護。IEEE 802.3標準規定了2250VDC和1500VAC的隔離電壓，以防止可能由源自CDE事件的高電壓導致的連接器故障。為了防止這些事件中的電弧作用
，這些隔離要求適用於RJ-45lianjieqiyijigelibianyaqi。weilefangzhidianlubanshangdejiedianguzhanghehuohuachansheng
，xianluceyinshuadianlubanhedimianyinggaizaizouxianzhijianyouzugoudepadianjulihejianxi。shiyanshiceshijieguoxianshi，yaochengshou2000V的瞬態電壓，FR4電路板跡線間距應該有至少250mil的分隔距離。UTP電纜放電事件所產生的電壓可高達幾千伏，並具有極大的破壞性。電荷累積主要源自於兩方麵：摩擦電(摩擦)效應和電磁感應效應。

在尼龍地毯上拉一條PVC包覆的CAT5 UTP電(dian)纜(lan)，會(hui)導(dao)致(zhi)在(zai)電(dian)纜(lan)上(shang)的(de)電(dian)荷(he)積(ji)聚(ju)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)這(zhe)些(xie)效(xiao)應(ying)。同(tong)樣(yang)，在(zai)從(cong)導(dao)線(xian)管(guan)拉(la)出(chu)電(dian)纜(lan)或(huo)在(zai)其(qi)他(ta)網(wang)絡(luo)電(dian)纜(lan)上(shang)拖(tuo)拉(la)電(dian)纜(lan)時(shi)也(ye)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)荷(he)積(ji)聚(ju)。這(zhe)種(zhong)電(dian)荷(he)積(ji)聚(ju)與(yu)腳(jiao)擦(ca)過(guo)地(di)毯(tan)時(shi)類(lei)似(si)。電(dian)荷(he)積(ji)聚(ju)僅(jin)當(dang)電(dian)纜(lan)未(wei)連(lian)接(jie)以(yi)及(ji)電(dian)荷(he)未(wei)能(neng)得(de)到(dao)及(ji)時(shi)耗(hao)散(san)時(shi)發(fa)生(sheng)(即電纜的兩端都沒有插入係統)。此外，要造成實質性損害，累積的電荷還需要得到保存。新的CAT5和CAT6電纜具有非常低的介電泄漏，且傾向於長時間留存電荷。在相對濕度較低的環境下，電荷留存時間會增加。當帶電的UTP電纜插入到RJ-45網絡端口時，有多種可能的放電路徑。瞬態電流流經的是最低電感路徑。這條路徑可能是在RJ-45連接器上、在印刷電路板(PCB)的兩個跡線之間
、在變壓器中
，或是穿過鮑勃史密斯AC終端或者穿過矽器件。取決於電纜的長度，累積的電荷可能是一個典型ESD模型電荷的幾百倍。

這種緊接著發生的高能量放電可能會損壞連接器、bianyaqidianluhuozheyitaiwangshoufaqi。shuangjiaoxiandianlandezuoyongxiangdangyuyigecunchudianhededianrong。youyanjiubiaoming，zaiweilianjiedeshuangjiaodianlanshanghuijijushubaifudedianhe。ciwai，yigenwanquanfangdiandedianlankeyizaiyigexiaoshineijijuyibandeqianzaidianhe。yidandaiyoudianhe，youzhidedianlanduidabufendianhedeliucunshijianjiangchaoguo24小時。圖4中說明了不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況。由於較長的電纜具有存儲更多電荷的能力，對於具有超過60米長度電纜的係統應當采取額外的CDE防範措施。
 

圖4 不同長度的CAT5電纜隨時間變化的電荷積聚情況

另一個需要了解的因素是CDE波bo形xing。由you於yu它ta不bu同tong於yu前qian麵mian所suo論lun述shu的de任ren何he一yi種zhong威wei脅xie
，根gen據ju耦ou合he機ji製zhi的de不bu同tong，它ta可ke以yi是shi差cha模mo的de也ye可ke以yi是shi共gong模mo的de。此ci外wai

，經jing初chu步bu研yan究jiu表biao明ming
，它ta具ju有you大da幅fu度du變bian化hua的de特te點dian
，但dan總zong體ti而er言yan，CDE波形具有高能量且同時顯示了電壓和電流驅動。這種波形在幾百納秒的時間內散布
，帶有快速的極性倒轉。

圖5顯示的是一個破壞性CDE波形的例子。它在25英尺雙絞電纜被充電至1.5kV後，出現在以太網PHY的發送器引腳上。隨著事件期間600ns時間的推移，在差分波形上可以看到從正電壓到負電壓有64.8V的變化。在這個試驗中，該PHY的發射器被破壞
，無法在網絡上傳輸數據包。
 

圖5 在25英尺雙絞電纜被充電至1.5千伏後, 在以太網PHY中顯示多種CDE放電波形

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理想的器件配置

為符合IEE802.3標準對於隔離的要求
，任何線路側保護器件(在這個例子中為SP03)的GND引腳(2、3、6和7)不能連接至GND。因此，設計人員別無他法，隻能將該器件作為一種“僅為差模”的保護器(注：當然，這必須滿足對驅動端保護元件的需求，以防止共模事件)。

應保證PHY或者驅動端器件的I/O引腳始終連接至差分線對，如圖1所示。然而
，不同於線路側保護器件，這種器件的GND引腳可以連接至本地GND平麵(建議采用這種配置)。如果GND引腳沒有連接，那麼保護器件(在這個例子中為SP3050)將會成為一種僅為差模的保護器，並且可能會使破壞性共模事件通過未鉗製的PHY。此外，應該注意，即使GND引腳已經連接，一旦電壓差超過內部TVS擊穿電壓加上兩個二極管的電壓降，該器件將仍會起到保護作用
，防止差分事件。

至於在大多數TVS二極管陣列中常見的剩下的這個引腳5(VCC)
，建議將其連接至本地電源(如5V、3.3V電源)(注意：應該確保保護器件的對峙電壓(VRWM)遠高於電源電壓
，以防止激活或是打開內部TVS二極管。)

通過連接SP3050器件的VCC引腳
，由於電氣瞬變將會流經兩條獨立的放電路徑(如圖6中紅色所示)


，設計人員將可以獲得更好的整體鉗位。它可以簡單地被認為是一個電阻分壓器，瞬變通過控向二極管進入

，並流經兩條路徑：一條由內部TVS至GND，另一條通過電源或外部旁路電容至GND。總而言之，將引腳5連接至電源會帶來更好的鉗位性能，為以太網PHY提供更好的整體保護。

 

圖6 電流進入TVS二極管陣列和引腳以帶來最佳化的鉗位性能

偏置該VCC引腳的另一個好處是它可以降低從I/O到GND的電容，這與使其保持浮動或不進行連接是完全不同的。應該參考用於保護以太網PHY的特定器件的數據手冊，以為設計人員提供這個將部分依賴於VCC偏置電平的電容。圖7是SP3050的圖示。
 

圖7 TVS二極管陣列電容與偏壓

線路側保護元件僅限於差模事件保護，但是驅動端或PHY側保護器件應被連接至GND和本地電源。這將能提供最好的鉗位性能，並最大限度地提高以太網端口的可靠性。

在使用TVS二er極ji管guan陣zhen列lie來lai進jin行xing以yi太tai網wang端duan口kou保bao護hu時shi，設she計ji人ren員yuan應ying始shi終zhong對dui其qi試shi圖tu防fang止zhi的de威wei脅xie保bao持chi警jing惕ti。在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia
，這zhe些xie威wei脅xie是shi差cha模mo事shi件jian和he共gong模mo事shi件jian的de組zu合he，當dang保bao護hu器qi件jian正zheng確que連lian接jie時shi，這zhe些xie事shi件jian都dou能neng得de到dao有you效xiao鉗qian製zhi。