中心議題：

• 雷擊浪涌
• 靜電放電 (ESD)
• 電快速瞬變 (EFT)
• 電纜放電事件 (CDE)

電路板設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用 TVS 二極管陣列以提供以太網(wǎng)端口保護(hù)。很多時(shí)候，設(shè)計(jì)師使用保護(hù)以保持設(shè)備可靠性，防止四個(gè)主要威脅：

雷擊浪涌沖擊（IEC61000-4-5，GR-1089，
國(guó)際電聯(lián)）
ESD 或靜電放電 (IEC61000-4-2)
EFT 或電快速瞬變 (IEC61000-4-4)
CDE 或電纜放電事件

了解上面列出的事件的性質(zhì)和“方向性”，將有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)師如何最好地保護(hù)以太網(wǎng)端口，更重要的是，設(shè)備的引腳如何連接將影響系統(tǒng)的性能。下面章節(jié)中所提供的信息，將參考圖 1，以更好地說(shuō)明一些要點(diǎn)。

了解威脅

雷擊浪涌

根據(jù)要遵守的標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)，雷擊浪涌可以是異?；蛴胁煌ㄐ蔚墓材?。異模中，正負(fù)測(cè)試設(shè)備終端之間通過(guò)兩根導(dǎo)線或引腳（即 J1 和 J2）連接，以使進(jìn)入到 RJ-45 端口的電能量只出現(xiàn)在這兩個(gè)導(dǎo)體（見(jiàn)圖 2）之間。線路端保護(hù)設(shè)備，如這里列舉的 Littelfuse SP03A 系列，硅保護(hù)陣列，會(huì)吸收能量，但一些能量還會(huì)傳遞到變壓器，在變壓器驅(qū)動(dòng)器端或如本例所示，在 Tx+ 和 Tx- 數(shù)據(jù)線路之間創(chuàng)建一個(gè)異模事件。

對(duì)于共模測(cè)試，將對(duì)個(gè)別導(dǎo)線或數(shù)據(jù)線自身進(jìn)行 GND 測(cè)試。測(cè)試設(shè)備正端將連接到所有的導(dǎo)線或引腳（即 J1、J2、J3 和 J6），負(fù)端將連接到 GND（見(jiàn)圖 2）。在這種情況下，如果線路阻抗相近，SP03A 將吸收很少的能量。變壓器的磁性將大部分的能量電容耦合到變壓器驅(qū)動(dòng)器端，作為以太網(wǎng) PHY 一個(gè)共模事件出現(xiàn)。
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靜電放電 (ESD)

可通過(guò)接觸或空氣放電評(píng)估設(shè)備的 ESD 免疫力（根據(jù)IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)）。有許多方法可注入 ESD，但在所有情況下，因?yàn)獒尫拍芰康?GND，ESD 脈沖作為電路共模事件出現(xiàn)。

電快速瞬變 (EFT)

檢查設(shè)備的 EFT 免疫力（根據(jù) IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)），與共模雷擊浪涌測(cè)試非常相似。在如圖 3 所示比較典型的配置中，所有的導(dǎo)體（或引腳）電容耦合到測(cè)試信號(hào)發(fā)生器的正極和“浪涌”到 GND。如果數(shù)據(jù)線幾乎沒(méi)有差別，線對(duì)之間很少有異模能量，但變壓器耦合電容會(huì)再次將共模能量以衰減的方式傳輸?shù)津?qū)動(dòng)端。

電纜放電事件 (CDE)

CDE 是一種應(yīng)有所區(qū)別的現(xiàn)象，應(yīng)從靜電放電 (ESD) 方面單獨(dú)考慮。雙絞線電纜的特點(diǎn)及其環(huán)境知識(shí)，在了解 CDE方面發(fā)揮重要的作用。頻繁變化的電纜環(huán)境也加重了防止CDE 損害的難度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以通過(guò)良好布局做法和精心挑選組件最大限度地保護(hù)系統(tǒng)免受 CDE 危害。IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 2250 VDC 和 1500VAC 隔離電壓 ，以防止 CDE所產(chǎn)生高壓造成的連接器故障。為了防止這些事件中的電弧，這些隔離要求適用于 RJ-45 接頭以及隔離變壓器。為了防止電介質(zhì)損壞和電路板打火，行單面印刷電路板和地面應(yīng)該有足夠的爬電距離和走線間隙。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，承受 2000V 瞬態(tài)電壓，F(xiàn)R4 電路板線間距應(yīng)至少有 250 密
耳的距離。（來(lái)源：www.national.com）。UTP 電纜放電事件可高達(dá)幾千伏，可能有很大的破壞性。電荷的積累來(lái)自?xún)蓚€(gè)主要來(lái)源：摩擦電（摩擦）效應(yīng)和電磁感應(yīng)效應(yīng)。

這些影響可能來(lái)自在尼龍地毯拉動(dòng)一根 PVC 覆蓋的 CAT5UTP 電纜，從而導(dǎo)致電纜電荷的聚集。以類(lèi)似的方式，通過(guò)管道或通過(guò)其它網(wǎng)絡(luò)電纜拖動(dòng)電纜，同樣會(huì)導(dǎo)致電荷在電纜上聚集。這種電荷聚集，類(lèi)似于在地毯上摩擦腳。僅當(dāng)電纜沒(méi)有連接，且沒(méi)有立刻釋放聚集的電荷（即電纜兩端未插入系統(tǒng)），才會(huì)發(fā)生電荷聚集。還有，必須保留了積累電荷，才可能造成實(shí)質(zhì)損害。較新的 CAT5 和 CAT6電纜絕緣性非常好，往往能很長(zhǎng)時(shí)間保留聚集的電荷。環(huán)境相對(duì)濕度低，聚集電荷的保留時(shí)間會(huì)增加。將帶靜電的UTP 電纜插入到 RJ-45 網(wǎng)絡(luò)端口，有許多可能的放電路徑。這個(gè)瞬態(tài)電流使用最低的電感線路，這條線路可以在RJ-45 接口，兩個(gè)印刷電路板 (PCB) 之間，在變壓器上，通過(guò) Bob Smith 交流端，或通過(guò)硅裝置。根據(jù)電纜的長(zhǎng)度，所積累的電荷可以是一個(gè)典型的 ESD 模型放電的百倍。

隨之而來(lái)的高能量放電可能會(huì)損壞連接器，變壓器電路，或以太網(wǎng)收發(fā)器。雙絞線電纜表現(xiàn)像一個(gè)存儲(chǔ)電荷的電容器。有研究證明，未連接到終端的雙絞線電纜可能會(huì)積累幾百伏的電荷。此外，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，完全放電的電纜可以積累其所能積累總電荷的一半。一旦有了靜電，高品質(zhì)的電纜保留其所帶靜電的時(shí)間可以超過(guò) 24 小時(shí)。下面圖 4展示了不同長(zhǎng)度的 CAT5 電纜積累靜電如何隨著時(shí)間而變化。由于較長(zhǎng)的電纜有容量來(lái)存儲(chǔ)更多的電荷，電纜長(zhǎng)度超過(guò) 60m 的系統(tǒng)應(yīng)采取額外的 CDE 預(yù)防措施。
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另一個(gè)要了解的重要因素是 CDE 波形，因?yàn)樗幌褚郧坝懻摰娜魏瓮{，取決于耦合機(jī)制，要么是異模，要么是共模。此外，初步研究顯示，它在特點(diǎn)上有很大差異，但總體上看，CDE 的波形能量高，體現(xiàn)在電壓和電流驅(qū)動(dòng)上。波形傳播的時(shí)間為幾百納秒，能夠快速反轉(zhuǎn)極性。下面的圖 5，給出了破壞性 CDE 波形的例子，在一個(gè)以太網(wǎng) PHY 發(fā)射器引腳，一個(gè) 25 英尺雙絞線電纜靜電電壓達(dá) 1.5KV。在該事件發(fā)生超過(guò) 600ns 時(shí)間的期間，在異模波形上看到有 64.8V 從正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，PHY 的發(fā)射器被破壞，無(wú)法在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)包。

從電路板級(jí)設(shè)計(jì)師的角度來(lái)看，設(shè)計(jì)和制造以太網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)注意 CDE，首要重點(diǎn)放在讓靜電遠(yuǎn)離 IC 器件方面。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮包括添加 TVS 二極管陣列和耦合變壓器本身。變壓器電路將有助于防止共模瞬變，但高能量瞬變應(yīng)該接地。

最佳的設(shè)備配置

任何線路端保護(hù)裝置（這個(gè)例子中的 SP03A）不能有 GND引腳（2、3、6 和 7）連接到 GND，以保證符合 IEEE802.3隔離標(biāo)準(zhǔn)；因此，設(shè)計(jì)師沒(méi)有選擇，只能將此設(shè)備作為“異模”保護(hù)器。（注：當(dāng)然，這使得驅(qū)動(dòng)端保護(hù)元件成為必要，以保護(hù)系統(tǒng)免受共模事件損壞。）

保護(hù) PHY 或驅(qū)動(dòng)端的設(shè)備總有 I/O 引腳連接到異模線對(duì)，如圖 1 所示。然而，不同于線路端保護(hù)，這種設(shè)備可以將其 GND 引腳連接到本地 GND 平面，Littelfuse 建議使用這種配置。如果沒(méi)有連接 GND 引腳，則保護(hù)裝置（這個(gè)例子中的 SP3050）將成為一個(gè)僅異模保護(hù)器，并可能允許損害共模事件通過(guò)松開(kāi)的 PHY。此外，應(yīng)該指出，即使連接GND 引腳，該設(shè)備將仍然防止異模事件，一旦電壓差超過(guò)內(nèi)部 TVS 加雙二極管的電壓降的損壞值（使用 SP3050 示例）。

至于常用 TVS 二極管陣列、5 針、VCC 的中其余引腳，Littelfuse 還建議，這應(yīng)連接到本地電源，如 5V，3.3V等（注：應(yīng)當(dāng)心，以確保保護(hù)裝置或 VRWM 的對(duì)峙電壓遠(yuǎn)高于電源電壓，以防止激活或打開(kāi)內(nèi)部 TVS 二極管。）

通過(guò)連接 SP3050的 VCC 引腳，由于電氣瞬態(tài)兩個(gè)獨(dú)立的放電路徑，如下（圖 6）紅色所示，設(shè)計(jì)者將更好進(jìn)行夾緊設(shè)計(jì)?？梢院?jiǎn)單地將它看作一個(gè)電阻分壓器，其中瞬態(tài)電流通過(guò)導(dǎo)向二極管，并選擇了兩條路，一個(gè)通過(guò)內(nèi)部 TVS到 GND，一個(gè)通過(guò)電源或外部旁路電容到 GND?？偠灾?5 腳連接到電源，將導(dǎo)致更好的夾緊性能，給以太網(wǎng) PHY 提供更好的整體保護(hù)。

結(jié)論

使用 TVS 二極管陣列保護(hù)以太網(wǎng)端口時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該始終警惕需要防范的威脅。大多數(shù)情況下，威脅是異模和共模事件的結(jié)合，保護(hù)裝置正確連接時(shí)，可以有效地夾緊。線路端保護(hù)元件僅局限于異模保護(hù)，但驅(qū)動(dòng)程序或 PHY 端保護(hù)裝置應(yīng)連接到 GND 和本地電源。這將提供最好的夾緊性能，并最大限度提高以太網(wǎng)端口的可靠性。