如何设计 TVS 二极管以保护千兆位以太网不受电压和电流瞬变的影响
作者：Steven Keeping
投稿人：DigiKey 北美编辑
千兆位以太网（GbE）是一种功能强大的高速通信系统，广泛应用于家庭、商业和工业场所。然而，以太网系统也会面临挑战，尤其是连接延伸到建筑物之外时。延长线可能会受到意外的高电平瞬变电压和电流的影响，并始终面临静电放电 (ESD) 风险。
GbE 物理层 (PHY) 确实包括一些诸如隔离变压器等能够提供一定程度保护的器件。但不能在所有情况下都依赖内置的瞬变电压缓解功能提供保护。
瞬变电压抑制 (TVS) 二极管是一种技术成熟、经济实惠、功能强大的电路保护装置，适用于如 GbE 等空间和成本皆受限的应用。在正常工作状态下，这些设备看起来是透明的。然而，这些器件必须保护多个通信通道免受高达 40 A 浪涌电流和高达 30 kV 的 ESD 影响，并在正常工作期间保持低负载电容，以确保高速信号的完整性。
本文介绍了 GbE 高压瞬变和 ESD 保护带来的设计挑战，然后考虑了能量抑制所需的 TVS 二极管的独特特性。接下来，介绍一些针对该问题的商业解决方案，然后展示如何将选定的器件设计成符合 IEC61000-4-2、4 和 5 等标准的瞬变保护系统。
瞬变电压效应带来的危险
GbE 是一种有线高速通信系统。铜连接线承载了构成数字信号流的、表示“0”和“1”的差分信号。然而，铜线也是高瞬变电压和 ESD 事件的理想传输载体，因此可能会损坏硅电路元件（图 1）。
图 1：如果没有保护措施，高瞬变电压和 ESD 可能损坏 GbE PHY。（图片来源：[Semtech]）
GbE PHY 的设计包括用隔离变压器提供一定程度的保护。GbE 规范 (IEEE 802.3) 要求最低额定隔离电压为 2.1 kV。大多数商业变压器提供 4 kV 至 8 kV 隔离。此外，GbE 接口通常包括一个共模扼流圈 (CMC)。该器件是用于阻断高频交流的电感器，有助于减小 ESD 峰值。最终的保护等级通过“Bob Smith”端接实现。具体做法是，使用一个 75 Ω 电阻来实现共模阻抗匹配，用将信号对通过同一个电容器接地。这种端接有助于减少下文将讨论的共模辐射（图 2）。
图 2：GbE 物理层包括一些内置瞬变电压保护功能，具体为隔离变压器、共模扼流圈和电阻端接电路。（图片来源：Semtech）
仅仅依靠 GbE PHY 隔离变压器、CMC 和端接电路提供全面保护是存在风险的。虽然这些组件能够在一定程度上缓解瞬变电压，但在几种情况下极易会使端口遭受损坏。
GbE 瞬变电压偏移按其性质分为共模和差模。在共模电压瞬变期间，所有 GbE PHY 导体瞬间上升到相对于地面的相同电压。因为所有导体都处于相同的电位，所以没有电流从一个导体流向另一个导体。相反，电流会流向地。常见电流流动的路径是通过导体，再经过变压器中心抽头和端接电路，然后接地（图 3）。
图 3：高瞬变电压共模电流经隔离变压器中心抽头、RJ-45 连接器流向地。（图片来源：Semtech）
差分模式浪涌是不同的。电流流入差分对的一条信号线上的 GbE 端口，经变压器，从另一条信号线上的端口流回。流经变压器初级绕组的瞬变电流在次级绕组中感应生成了电流浪涌。一旦浪涌清除，变压器中储存的能量将转移至脆弱的 GbE PHY 所在的位置。这种能量转移会造成严重后果，最轻的是数据丢失和产生毛刺，最严重则是永久性损坏（图 4）。
图 4：差模浪涌在隔离变压器上感应的电流可能会损坏敏感的电子电路。（图片来源：Semtech）
图 4 显示，差分模式浪涌是最危险的，因为这种电压会使 GbE PHY 暴露在潜在的破坏性电压下。在隔离变压器的二次侧需要增加保护来防止这些浪涌。
用 TVS 二极管提供浪涌保护
实现 GbE PHY 保护，需要能够隔离、阻断或抑制大型瞬变能量脉冲的器件。增加变压器可以充分隔离以太网电子设备，但变压器体积庞大，价格昂贵。保险丝是一种廉价的阻断方法，但在每次跳闸事件后必须重新设置或更换。TVS 二极管是一个很好的折衷办法。这类二极管外形紧凑，价格合理，能够有效地将瞬变电压峰值抑制在安全水平，而不需要复位。
从结构上看，TVS 二极管是一种经过专门设计的 p - n器件，通过其较大的结横截面积以来收高瞬变电流和电压。虽然电压/电流特性与齐纳二极管相似，但TVS 二极管是用来抑制电压，而不是调节电压的器件。与其他抑制保护设备相比，TVS 二极管的一大关键优势在于对电气瞬变的快速响应（通常在几纳秒内）——将瞬变能量安全转移至大地，同时保持恒定的“钳位”电压（图5）。
图 5：TVS 二极管为超过阈值水平的瞬变电压提供了一条低阻抗接地路径。因此，被保护电路只会受到安全电压的影响。（图片来源：Semtech）
在正常工作期间，TVS 二极管在电压达到其工作电压 ( 明亮的 ) 时在电路中产生高阻抗。当器件两端的电压超过击穿电压 ( 可变比特率 ) 时，二极管的结发生雪崩击穿，导致其“快速恢复”或切换至低阻抗导通状态。当瞬变峰值脉冲电流 (I 聚丙烯 ) 流经器件时，这将使电压降低到“钳位”水平 (V C )。被保护电路所承受的最大电压等于 V C ，且通常是适度的。一旦电流下降到保持电流 (I H ) 以下，TVS 二极管就会恢到高阻抗关断状态（图 6 和表 1）。
图 6：TVS 二极管的工作特性。在击穿电压下，该器件切换至低阻抗导通状态，并在瞬变峰值电流经过时将电压降低到安全“钳位”水平。（图片来源：Semtech）
| | 表 1 - 参数定义 |
| ----------------- |
| 符号 | 参数 |
| VRWM | 最大工作电压 |
| VBR | 击穿电压 |
| VC | 钳位电压 |
| IH | 保持电流 |
| I右 | 反向泄露电流 |
| I聚丙烯 | 峰值脉冲电流 |
表 1：图 6 的参数定义。（表格来源：Semtech）
来自知名制造商的 TVS 二极管旨在保护接口，同时满足 IEC 61000-4-2（ESD）、IEC 61000-4-4（EFT）和 IEC 61000-4-5（闪电）等标准中详述的严格抗浪涌要求。
IEC 61000-4-5 规定了如何测试抗浪涌性能，提供了用于确定 TVS 二极管能力的详细的典型浪涌波形。这种波形vwin
间接雷击，在 8 µs 内达到其峰值电流值的 90% (tp)，并在 20 µs 内衰减至其峰值的 50%。在规格书中，通常将其称为“8/20 µs 波形”，并给出保护装置可承受的该波形的最大峰值脉冲电流 (I 聚丙烯 ) 的具体信息。规格书通常还会详细说明产品对由 1.2/50 µs 的间接雷击引起的相关电压浪涌波形的响应（瞬时浪涌在 1.2 µs 内达到峰值电压，在 50 µs 内衰减至峰值的 50%）。
TVS 二极管的另一个关键保护特性是其“ESD 耐受电压”。该电压是保护装置能够耐受且不发生损坏的最大静电放电电压，通常是几十千伏。
用于 GbE PHY 保护的 TVS 二极管
除 GbE 外，TVS 二极管还可用于保护包括 HDMI、USB Type-C、RS-485 和 DisplayPort 在内的一系列接口。但在这些接口中，每一个接口所要求的保护水平都略有不同。这使得根据应用设计 TVS 二极管就显得非常重要。
例如，Semtech 制造了一系列针对 GbE 接口保护的 [TVS 二极管]。这类器件采用 Semtech 的工艺制造。Semtech 表示，相对于其他硅雪崩二极管工艺，这种工艺技术可以减少泄漏电流和电容。该产品系列的另一个优点是具有 3.3 V 至 5 V 低工作电压（具体视版本而定），可以节省能源。
例如，RailClamp 系列包括 [RCLAMP0512TQTCT]，适用于 2.5 GbE 接口保护。该器件的 I聚丙烯为 20 A（tp = 8/20 µs 和 1.2/50 µs），峰值脉冲功率 (P PK ) 为 170 W。ESD 耐受电压为 +/-30 kV。VBR为 9.2 V（典型值），IH为 150 mA（典型值），VC的典型值为 5 V，最大值为 8.5 V（图 7）。
图7：RCLAMP0512TQTCT 在承受1.2/50 µs 的电压和8/20 µs 的20 A 浪涌电流峰值时的钳位电压特性。在短暂的峰值之后，钳位电压稳定在5 V 以下，从而保护了GbE PHY。 （图片来源：Semtech）
RCLAMP0512TQ 器件外形紧凑，采用尺寸为 1.0 x 0.6 x 0.4 mm 的 3 引脚 SGP1006N3T 封装。
Semtech RailClamp 系列中还有其他产品，能向在可能更危险的情况下使用的 1 GbE 应用提供更强大的保护。例如，[RCLAMP3374N.TCT]的 I聚丙烯为 40 A（tp = 8/20 µs 和 1.2/50 µs），PPK为 1 kW。ESD 耐受电压为 +/-30 kV。当 I 聚丙烯 = 40 A 时，VC为 25 V（最大值）。该器件的尺寸为 3.0 x 2.0 x 0.60 mm。
RailClamp 系列中的中端器件是 [RCLAMP3354S.TCT]。该器件用于 1 GbE 保护，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 耐受电压为 +/-30 kV。当 I 聚丙烯 = 25 A 时，VC为 16 V（最大值）。
设计导入 TVS 二极管保护
图 8 所示为使用 RCLAMP0512TQTCT 的 GbE PHY 保护方案。这些器件位于变压器的 PHY 侧，可防止差分模式浪涌，且每个以太网线对上配备一个。以太网差分对通过每个 TVS 二极管组件的管脚 1 和 2 连接，管脚 3 不连接。
图 8：TVS 二极管保护组件位于变压器的以太网 PHY 侧，横跨每个差分线对并尽可能地靠近 PHY 磁性元件。（图片来源：Semtech）
为了限制保护路径中的寄生电感，工程师应使保护组件的位置尽可能地靠近以太网 PHY 磁性元件，最好是在印刷电路板的同一侧。如果使用微孔直接与 PC 板的地进行连接，也会有帮助。
减少寄生电感对抑制上升时间快速的瞬变尤为重要。保护装置路径上的电感会增大被保护装置所承受的 V C 。VC与路径电感乘以浪涌期间的电流变化率成正比。例如上升时间为 1 ns 的 30 A ESD 脉冲，仅 1 nH 的路径电感就能使 VC峰值增加 30 V。
请注意，所选的以太网变压器必须能在预期的浪涌条件下正常工作，而不发生故障。典型的以太网变压器能够承受数百安培电流（tp = 8/20µs）而不会发生故障，但这需要通过测试来验证。另外，如果变压器的抗浪涌性能值得怀疑，则保护器件可以放在变压器的线路侧。这样做的缺点是，无法发挥变压器的额外保护功能，而 GbE 系统的高能量浪涌保护也只能依赖保护装置了。
结束语
GbE 是一种可靠、广泛的高速通信系统，但所有使用导体的系统都会受到诸如雷击和 ESD 等事件造成的能量瞬变的影响。GbE 端口的变压器、CMC 和端接电路在会一定程度上缓解此类浪涌，但差模浪涌能够绕过这种抑制机制损坏以太网 PHY。建议为关键系统采用更多的保护。
TVS 二极管是一个很好的选项，因为这种器件外形紧凑，价格适中，能够有效地将瞬变电压峰值抑制在安全水平，而不需要复位。建议在保护器件和应用之间进行仔细匹配，因为这些保护器件的功能范围很广，包括峰值电流保护。此外，还建议遵循如位置和接地等良好的设计准则，从而最大限度地发挥特定 TVS 二极管的保护功能。
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