【導(dǎo)讀】電子產(chǎn)品的威脅及以太網(wǎng)絡(luò)的保護。設(shè)計人員使用保護器去維護設(shè)備的可靠性，以對抗包括：Lighting Induced Surges、ESD (Electrostatic Discharge)、EFT(Electrical Fast Transient)及CDE(Cable Discharge Event)在內(nèi)的4種主要威脅。
電路板端研發(fā)工程師通常使用TVS二極管陣列以提供對以太網(wǎng)端口的保護。在許多情況下，設(shè)計人員使用保護器去維護設(shè)備的可靠性，以對抗包括：Lighting Induced Surges、ESD (Electrostatic Discharge)、EFT(Electrical Fast Transient)及CDE(Cable Discharge Event)在內(nèi)的4種主要威脅。
去了解上述威脅事件的本質(zhì)與“方向性”，將有助于引導(dǎo)工程師如何對以太網(wǎng)端口做最佳的保護，更重要的是元件的腳位連接對影響系統(tǒng)性能會是如何。所提供的資料在下面的章節(jié)中，將參考圖1，以協(xié)助說明相關(guān)問題。
圖1：Littelfuse的SP03系列
Lightning Induced Surges
根據(jù)不同標準或法規(guī)的規(guī)定(評估設(shè)備抗擾度標準如IEC61000-4-5、GR-1089、ITU)，雷擊浪涌可以分為差動或共模2種測試模式并有不同的波形。在差動模式下，1對絞線(Pair)的2個導(dǎo)體或接腳(即J1和J2)連接到測試設(shè)備測試端的正負極之間，測試的能量進到RJ-45端口，并只出現(xiàn)在這2個導(dǎo)體之間(見圖2)。測試的主要能量將會消散在接線端保護元件，如(圖1)所顯示為Littelfuse的SP03系列(半導(dǎo)體的保護矩陣)，但一些能量也會藉由變壓器的傳輸，而在變壓器的驅(qū)動器端(or PHY Side)產(chǎn)生出差動的事件，如此例(圖1)中的TX+和TX-數(shù)據(jù)線。
圖2：以太網(wǎng)端口保護
共模測試是測試個別的導(dǎo)線或所有數(shù)據(jù)線對GND的測試。測試設(shè)備的正極連接到所有的導(dǎo)體或接腳(即J1，J2，J3和J6)，負極將連接到GND(見圖2)。假設(shè)線路的阻抗是完全匹配的，在這種情況下，很少的能量會消耗在SP03。大部分的能量會透過變壓器磁性元件的電容耦合，到變壓器驅(qū)動器端，而在以太網(wǎng)的PHY元件上產(chǎn)生出1個共模事件。
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Electrostatic Discharge (ESD)
評估設(shè)備ESD抗擾度(符合IEC61000-4-2標準)，可經(jīng)由接觸或空氣進行放電。有許多方法來打ESD能量，但在所有情況下，可將ESD脈沖的出現(xiàn)，視同對電路共模事件，參考對GND的能量釋放。
Electrical Fast Transient (EFT)
檢驗設(shè)備的EFT抗擾度(符合IEC61000-4-4標準)與雷擊浪涌的共模測試非常相似。在較典型的配置如圖3所示，所有的導(dǎo)體(或接腳)都被電容耦合到測試產(chǎn)生器的正端，另一端則是「浪涌」到GND。如果數(shù)據(jù)線有很好的平衡，則在絞線(Pairs)之間幾乎沒有任何能量的差別，但變壓器的電容耦合將轉(zhuǎn)移共模的能量到驅(qū)動器側(cè)，盡管已減少很多。
Cable Discharge Event (CDE)
CDE是另一種現(xiàn)象，應(yīng)該與靜電放電(ESD)有所區(qū)別并分開考慮。雙絞線電纜的特性和應(yīng)用環(huán)境的了解，在對CDE的考量中扮演著重要角色。經(jīng)常變化的電纜環(huán)境也增加了預(yù)防CDE損害的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計師可以透過良好的線路布局及慎選零組件來達到最大限度地保護，而防止CDE事件的發(fā)生。在IEEE 802.3標準要求絕緣電壓為2,250伏直流和1,500伏交流，以防止可能因高電壓產(chǎn)生的CDE而造成的連接器故障。為了避免在這些事件中的電弧，這些絕緣的規(guī)定適用于在RJ-45連接器，如同變壓器的絕緣。為了防止電介質(zhì)崩潰和電路板上的跳火，印刷電路板接線側(cè)和內(nèi)部線路的地之間應(yīng)有足夠的漏電距離，布線之間要有足夠間隙。實驗室測試結(jié)果顯示，瞬時要能承受2,000V的電壓，在FR4電路板布線間距應(yīng)有至少250密爾的間距。UTP電纜放電事件可以高達幾千伏，非常具有破壞性。電荷積累來自兩個主要來源：摩擦電和電磁感應(yīng)的效果。
這些影響可能來自拉扯聚氯乙烯覆蓋 CAT5 UTP電纜上的尼龍布，可導(dǎo)致電荷在電纜上建立。類似的方式，電荷也可能建立在1個電纜上，例如當電纜在管道被拉扯或與其它網(wǎng)絡(luò)電纜摩擦時。此類似人腳在地毯上摩擦所產(chǎn)生的電荷，電荷建立發(fā)生在電纜無端點時，電荷不會立即消散(即電纜兩端都沒有插入到系統(tǒng)里)。此外，累加的電荷必須被保留，才能導(dǎo)致重大損害。新的CAT5和CAT6電纜具有非常低的介質(zhì)泄漏，往往會保留電荷很長一段時間，相對濕度較低的環(huán)境又會使得電荷停留的時間變長。當帶電UTP電纜插入1個RJ-45網(wǎng)絡(luò)端，有很多可能的放電路徑。突波電流會走最低電感路徑，這個路徑可能是RJ-45接點、印刷電路板(PCB)走線(Trace)之間、穿過在變壓器里的史密斯AC終端電阻(75Ω)，或通過半導(dǎo)體零件。根據(jù)電纜的長度，累計充電可百倍于1個典型的ESD模型電荷。
這隨之而來的高能量放電會損壞連接器、變壓器的電路或以太網(wǎng)收發(fā)器。雙絞線電纜就如同1個電容器儲存電荷，研究證實，幾百伏充電可以積累在沒有終端的雙絞線電纜。另外，1個完全放電電纜1小時內(nèi)就可以建立其一半的潛在電荷。一旦充電，好的電纜可以保留它的大部分電荷超過 24小時。不同長度的CAT5電纜可充電時間的推算如圖4所示。由于較長的電纜有更多容量來存儲電荷，當電纜長度超過60米時，系統(tǒng)應(yīng)采取額外的CDE預(yù)防措施。
另一個重要因素是對CDE的波形理解，因為它不同于任何威脅，如先前討論可以是差分或共模取決于耦合機制。此外，初步研究顯示，在特性上可以有較大的變化，但總體而言，CDE的波形具有較高的能量并呈現(xiàn)在電壓和電流推力。波形是分布在數(shù)百奈秒的時間快速極性反轉(zhuǎn)。下面的圖5顯示經(jīng)過被充電到1.5KV的25英尺雙絞線電纜，在以太網(wǎng)PHY發(fā)射端接腳的1個具有破壞性的CDE波形。請看最下方的差動波形，在600ns的期間，正負壓有64.8V的變化。在這個實驗中，PHY的發(fā)射器被破壞，無法傳輸數(shù)據(jù)封包到網(wǎng)絡(luò)上。
從電路設(shè)計人員的角度來看，以太網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計和布線注意CDE的重點應(yīng)放在對IC破壞能量的轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)設(shè)計考慮包括增設(shè)TVS二極管陣列(SPA)和耦合變壓器本身。變壓器電路將有助于防止共模突波，但高能量突波應(yīng)該有路徑到地(GND)。
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電路保護裝置最佳化設(shè)計
任何接線側(cè)(Line Side)的保護器(此例中為SP03)不能有其GND接腳(2，3，6，7)連接到GND，以符合IEEE802.3隔離標準，因此，設(shè)計者只得采用「僅差動」(differential only)保護器。(注：當然，這就必須有1個驅(qū)動側(cè)(Drive Side)的保護元件，以防止共模事件。)
該元件保護PHY或驅(qū)動側(cè)總有I/O接腳連接到差動對，如圖1。然而不同線路側(cè)保護器，此元件可以有它的GND接腳連接到GND層，且Littelfuse建議這樣的配置。如果GND接腳沒有連接，保護裝置(此例中為SP3050)將成為僅差動保護裝置，將無法箝制破壞性的共模突波而導(dǎo)致能量直接沖擊到PHY。此外，盡管GND接腳接地，此裝置仍可保護差動事件，當壓差超過內(nèi)部TVS崩潰電壓加上二極管順偏(使用SP3050的例子)時。至于有一接腳常見在TVS二極管陣列，第5腳，VCC，Littelfuse也建議，連接到電源，如5V， 3.3V等(注意確認，保護器的對峙(Standoff)電壓或VRWM，須高于電源電壓，以防止觸發(fā)或打開內(nèi)部TVS。)由于連接在SP3050 VCC接腳， 電氣突波將通過兩個獨立的放電路徑以紅色顯示，設(shè)計者將獲得整體更好的箝制。可以簡單看作是突波進入1個電阻分壓器，經(jīng)由二極管的兩個途徑：一是通過內(nèi)部TVS接地，一至電源或通過外部旁路電容接地?？偠灾?，連接接腳5到電源將產(chǎn)生更好的箝位性能，提供整體更好的以太網(wǎng)PHY防護。
另一個好處是偏壓VCC接腳，與不接相比，會有較低I/O對地的電容。零件規(guī)格書應(yīng)提供給設(shè)計者VCC的偏壓對電容的關(guān)系，以利保護以太PHY的設(shè)計，圖7為參考SP3050。
當使用TVS陣列保護1個以太網(wǎng)端口，設(shè)計者應(yīng)該始終對威脅保持警覺，做出保護與預(yù)防。在幾乎所有情況下，威脅是差動和共模事件的組合，當保護裝置正確連接，可以有效地箝制。接線側(cè)保護元件被限于差動保護，但驅(qū)動或PHY側(cè)保護裝置應(yīng)連接到GND，本地電源。這將提供最好的箝制性能和最大的以太網(wǎng)端口可靠性。
