如何設計 TVS 二極管以保護千兆位以太網不受電壓和電流瞬變的影響

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

千兆位以太網（GbE）是一種功能強大的高速通信系統，廣泛應用于家庭、商業和工業場所。然而，以太網系統也會面臨挑戰，尤其是連接延伸到建筑物之外時。延長線可能會受到意外的高電平瞬變電壓和電流的影響，并始終面臨靜電放電 (ESD) 風險。

GbE 物理層 (PHY) 確實包括一些諸如隔離變壓器等能夠提供一定程度保護的器件。但不能在所有情況下都依賴內置的瞬變電壓緩解功能提供保護。

瞬變電壓抑制 (TVS) 二極管是一種技術成熟、經濟實惠、功能強大的電路保護裝置，適用于如 GbE 等空間和成本皆受限的應用。在正常工作狀態下，這些設備看起來是透明的。然而，這些器件必須保護多個通信通道免受高達 40 A 浪涌電流和高達 30 kV 的 ESD 影響，并在正常工作期間保持低負載電容，以確保高速信號的完整性。

本文介紹了 GbE 高壓瞬變和 ESD 保護帶來的設計挑戰，然后考慮了能量抑制所需的 TVS 二極管的獨特特性。接下來，介紹一些針對該問題的商業解決方案，然后展示如何將選定的器件設計成符合 IEC61000-4-2、4 和 5 等標準的瞬變保護系統。

瞬變電壓效應帶來的危險

GbE 是一種有線高速通信系統。銅連接線承載了構成數字信號流的、表示“0”和“1”的差分信號。然而，銅線也是高瞬變電壓和 ESD 事件的理想傳輸載體，因此可能會損壞硅電路元件（圖 1）。

圖 1：如果沒有保護措施，高瞬變電壓和 ESD 可能損壞 GbE PHY。（圖片來源：[Semtech]）

GbE PHY 的設計包括用隔離變壓器提供一定程度的保護。GbE 規范 (IEEE 802.3) 要求最低額定隔離電壓為 2.1 kV。大多數商業變壓器提供 4 kV 至 8 kV 隔離。此外，GbE 接口通常包括一個共模扼流圈 (CMC)。該器件是用于阻斷高頻交流的電感器，有助于減小 ESD 峰值。最終的保護等級通過“Bob Smith”端接實現。具體做法是，使用一個 75 Ω 電阻來實現共模阻抗匹配，用將信號對通過同一個電容器接地。這種端接有助于減少下文將討論的共模輻射（圖 2）。

圖 2：GbE 物理層包括一些內置瞬變電壓保護功能，具體為隔離變壓器、共模扼流圈和電阻端接電路。（圖片來源：Semtech）

僅僅依靠 GbE PHY 隔離變壓器、CMC 和端接電路提供全面保護是存在風險的。雖然這些組件能夠在一定程度上緩解瞬變電壓，但在幾種情況下極易會使端口遭受損壞。

GbE 瞬變電壓偏移按其性質分為共模和差模。在共模電壓瞬變期間，所有 GbE PHY 導體瞬間上升到相對于地面的相同電壓。因為所有導體都處于相同的電位，所以沒有電流從一個導體流向另一個導體。相反，電流會流向地。常見電流流動的路徑是通過導體，再經過變壓器中心抽頭和端接電路，然后接地（圖 3）。

圖 3：高瞬變電壓共模電流經隔離變壓器中心抽頭、RJ-45 連接器流向地。（圖片來源：Semtech）

差分模式浪涌是不同的。電流流入差分對的一條信號線上的 GbE 端口，經變壓器，從另一條信號線上的端口流回。流經變壓器初級繞組的瞬變電流在次級繞組中感應生成了電流浪涌。一旦浪涌清除，變壓器中儲存的能量將轉移至脆弱的 GbE PHY 所在的位置。這種能量轉移會造成嚴重后果，最輕的是數據丟失和產生毛刺，最嚴重則是永久性損壞（圖 4）。

圖 4：差模浪涌在隔離變壓器上感應的電流可能會損壞敏感的電子電路。（圖片來源：Semtech）

圖 4 顯示，差分模式浪涌是最危險的，因為這種電壓會使 GbE PHY 暴露在潛在的破壞性電壓下。在隔離變壓器的二次側需要增加保護來防止這些浪涌。

用 TVS 二極管提供浪涌保護

實現 GbE PHY 保護，需要能夠隔離、阻斷或抑制大型瞬變能量脈沖的器件。增加變壓器可以充分隔離以太網電子設備，但變壓器體積龐大，價格昂貴。保險絲是一種廉價的阻斷方法，但在每次跳閘事件后必須重新設置或更換。TVS 二極管是一個很好的折衷辦法。這類二極管外形緊湊，價格合理，能夠有效地將瞬變電壓峰值抑制在安全水平，而不需要復位。

從結構上看，TVS 二極管是一種經過專門設計的 p - n器件，通過其較大的結橫截面積以來收高瞬變電流和電壓。雖然電壓/電流特性與齊納二極管相似，但TVS 二極管是用來抑制電壓，而不是調節電壓的器件。與其他抑制保護設備相比，TVS 二極管的一大關鍵優勢在于對電氣瞬變的快速響應（通常在幾納秒內）——將瞬變能量安全轉移至大地，同時保持恒定的“鉗位”電壓（圖5）。

圖 5：TVS 二極管為超過閾值水平的瞬變電壓提供了一條低阻抗接地路徑。因此，被保護電路只會受到安全電壓的影響。（圖片來源：Semtech）

在正常工作期間，TVS 二極管在電壓達到其工作電壓 ( 明亮的 ) 時在電路中產生高阻抗。當器件兩端的電壓超過擊穿電壓 ( 可變比特率 ) 時，二極管的結發生雪崩擊穿，導致其“快速恢復”或切換至低阻抗導通狀態。當瞬變峰值脈沖電流 (I 聚丙烯 ) 流經器件時，這將使電壓降低到“鉗位”水平 (V C )。被保護電路所承受的最大電壓等于 V C ，且通常是適度的。一旦電流下降到保持電流 (I H ) 以下，TVS 二極管就會恢到高阻抗關斷狀態（圖 6 和表 1）。

圖 6：TVS 二極管的工作特性。在擊穿電壓下，該器件切換至低阻抗導通狀態，并在瞬變峰值電流經過時將電壓降低到安全“鉗位”水平。（圖片來源：Semtech）

| | 表 1 - 參數定義 |
| ----------------- |
| 符號 | 參數 |
| VRWM | 最大工作電壓 |
| VBR | 擊穿電壓 |
| VC | 鉗位電壓 |
| IH | 保持電流 |
| I右 | 反向泄露電流 |
| I聚丙烯 | 峰值脈沖電流 |

表 1：圖 6 的參數定義。（表格來源：Semtech）

來自知名制造商的 TVS 二極管旨在保護接口，同時滿足 IEC 61000-4-2（ESD）、IEC 61000-4-4（EFT）和 IEC 61000-4-5（閃電）等標準中詳述的嚴格抗浪涌要求。

IEC 61000-4-5 規定了如何測試抗浪涌性能，提供了用于確定 TVS 二極管能力的詳細的典型浪涌波形。這種波形模擬間接雷擊，在 8 μs 內達到其峰值電流值的 90% (tp)，并在 20 μs 內衰減至其峰值的 50%。在規格書中，通常將其稱為“8/20 μs 波形”，并給出保護裝置可承受的該波形的最大峰值脈沖電流 (I 聚丙烯 ) 的具體信息。規格書通常還會詳細說明產品對由 1.2/50 μs 的間接雷擊引起的相關電壓浪涌波形的響應（瞬時浪涌在 1.2 μs 內達到峰值電壓，在 50 μs 內衰減至峰值的 50%）。

TVS 二極管的另一個關鍵保護特性是其“ESD 耐受電壓”。該電壓是保護裝置能夠耐受且不發生損壞的最大靜電放電電壓，通常是幾十千伏。

用于 GbE PHY 保護的 TVS 二極管

除 GbE 外，TVS 二極管還可用于保護包括 HDMI、USB Type-C、RS-485 和 DisplayPort 在內的一系列接口。但在這些接口中，每一個接口所要求的保護水平都略有不同。這使得根據應用設計 TVS 二極管就顯得非常重要。

例如，Semtech 制造了一系列針對 GbE 接口保護的 [TVS 二極管]。這類器件采用 Semtech 的工藝制造。Semtech 表示，相對于其他硅雪崩二極管工藝，這種工藝技術可以減少泄漏電流和電容。該產品系列的另一個優點是具有 3.3 V 至 5 V 低工作電壓（具體視版本而定），可以節省能源。

例如，RailClamp 系列包括 [RCLAMP0512TQTCT]，適用于 2.5 GbE 接口保護。該器件的 I聚丙烯為 20 A（tp = 8/20 μs 和 1.2/50 μs），峰值脈沖功率 (P PK ) 為 170 W。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。VBR為 9.2 V（典型值），IH為 150 mA（典型值），VC的典型值為 5 V，最大值為 8.5 V（圖 7）。

圖7：RCLAMP0512TQTCT 在承受1.2/50 μs 的電壓和8/20 μs 的20 A 浪涌電流峰值時的鉗位電壓特性。在短暫的峰值之后，鉗位電壓穩定在5 V 以下，從而保護了GbE PHY。 （圖片來源：Semtech）

RCLAMP0512TQ 器件外形緊湊，采用尺寸為 1.0 x 0.6 x 0.4 mm 的 3 引腳 SGP1006N3T 封裝。

Semtech RailClamp 系列中還有其他產品，能向在可能更危險的情況下使用的 1 GbE 應用提供更強大的保護。例如，[RCLAMP3374N.TCT]的 I聚丙烯為 40 A（tp = 8/20 μs 和 1.2/50 μs），PPK為 1 kW。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。當 I 聚丙烯 = 40 A 時，VC為 25 V（最大值）。該器件的尺寸為 3.0 x 2.0 x 0.60 mm。

RailClamp 系列中的中端器件是 [RCLAMP3354S.TCT]。該器件用于 1 GbE 保護，能提供 25 A 的 I 聚丙烯 （tp=8/20 μs 和 1.2/50 μs）和 400 W 的 P PK 。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。當 I 聚丙烯 = 25 A 時，VC為 16 V（最大值）。

設計導入 TVS 二極管保護

圖 8 所示為使用 RCLAMP0512TQTCT 的 GbE PHY 保護方案。這些器件位于變壓器的 PHY 側，可防止差分模式浪涌，且每個以太網線對上配備一個。以太網差分對通過每個 TVS 二極管組件的管腳 1 和 2 連接，管腳 3 不連接。

圖 8：TVS 二極管保護組件位于變壓器的以太網 PHY 側，橫跨每個差分線對并盡可能地靠近 PHY 磁性元件。（圖片來源：Semtech）

為了限制保護路徑中的寄生電感，工程師應使保護組件的位置盡可能地靠近以太網 PHY 磁性元件，最好是在印刷電路板的同一側。如果使用微孔直接與 PC 板的地進行連接，也會有幫助。

減少寄生電感對抑制上升時間快速的瞬變尤為重要。保護裝置路徑上的電感會增大被保護裝置所承受的 V C 。VC與路徑電感乘以浪涌期間的電流變化率成正比。例如上升時間為 1 ns 的 30 A ESD 脈沖，僅 1 nH 的路徑電感就能使 VC峰值增加 30 V。

請注意，所選的以太網變壓器必須能在預期的浪涌條件下正常工作，而不發生故障。典型的以太網變壓器能夠承受數百安培電流（tp = 8/20μs）而不會發生故障，但這需要通過測試來驗證。另外，如果變壓器的抗浪涌性能值得懷疑，則保護器件可以放在變壓器的線路側。這樣做的缺點是，無法發揮變壓器的額外保護功能，而 GbE 系統的高能量浪涌保護也只能依賴保護裝置了。

結束語

GbE 是一種可靠、廣泛的高速通信系統，但所有使用導體的系統都會受到諸如雷擊和 ESD 等事件造成的能量瞬變的影響。GbE 端口的變壓器、CMC 和端接電路在會一定程度上緩解此類浪涌，但差模浪涌能夠繞過這種抑制機制損壞以太網 PHY。建議為關鍵系統采用更多的保護。

TVS 二極管是一個很好的選項，因為這種器件外形緊湊，價格適中，能夠有效地將瞬變電壓峰值抑制在安全水平，而不需要復位。建議在保護器件和應用之間進行仔細匹配，因為這些保護器件的功能范圍很廣，包括峰值電流保護。此外，還建議遵循如位置和接地等良好的設計準則，從而最大限度地發揮特定 TVS 二極管的保護功能。