Użycie diod TVS w celu ochrony sieci Gigabit Ethernet przed napięciami i prądami w stanach nieustalonych

Sieci Gigabit Ethernet (GbE) to solidny, system komunikacji o dużej prędkości transferu danych będący w powszechnym użyciu w obiektach mieszkalnych, komercyjnych i przemysłowych. Systemy Ethernet stanowią jednak wyzwanie, zwłaszcza gdy łączność wykracza poza budynek. W długich liniach mogą występować nieoczekiwane wysokie przejściowe napięcia i natężenia prądu, a ciągłe zagrożenie stanowią też wyładowania elektrostatyczne (ESD).

O konkretnym stopniu ochrony decydują niektóre komponenty zawarte w warstwie fizycznej (PHY) GbE, takie jak transformator izolacyjny. Jednak, aby zapewnić ochronę w każdych okolicznościach, nie można polegać na wbudowanych środkach ograniczania napięć przejściowych.

Diody ograniczające napięcia przejściowe (TVS) to sprawdzone, niedrogie i wytrzymałe urządzenia do ochrony obwodów, które dobrze sprawdzają się w zastosowaniach o ograniczonym budżecie, takich jak sieci GbE. Podczas normalnej pracy omawiane urządzenia pozostają niewidzialne. Muszą one jednak chronić wiele kanałów komunikacyjnych przed prądami udarowymi do 40A i wyładowaniami elektrostatycznymi do 30kV oraz utrzymywać niską pojemność ładunku przy normalnym użytkowaniu, aby zapewnić wysoką integralność sygnału.

W niniejszym artykule opisano wyzwania projektowe stawiane przeznaczonym do sieci GbE urządzeniom do ochrony przed wysokimi napięciami przejściowymi oraz wyładowaniami elektrostatycznymi. Dodatkowo omówiono unikatowe właściwości diod TVS niezbędne do ograniczania energii. W dalszej części artykułu opisano przykładowe komercyjne rozwiązania problemu oraz zademonstrowano sposoby włączania wybranych urządzeń do projektów systemów do ochrony przed stanami nieustalonymi z zachowaniem zgodności z normami takimi jak IEC 61000-4-2, -4 i -5.

Zagrożenia związane ze zjawiskami napięć przejściowych

GbE to przewodowy system szybkiej komunikacji. Połączenia miedziane przenoszą sygnały różnicowe reprezentujące „zera” i „jedynki”, które tworzą cyfrowy strumień sygnałowy. Jednakże te przewody miedziane są również idealną drogą przenoszenia wysokich napięć przejściowych i wyładowań elektrostatycznych (ESD), które mogą uszkadzać krzemowe elementy obwodu (ilustracja 1).

W projektach warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE pewien stopień ochrony zapewniany jest przez transformatory izolacyjne. Specyfikacja GbE (IEEE 802.3) wymaga minimalnej izolacji na poziomie 2,1kV. Większość transformatorów komercyjnych oferuje izolację 4-8kV. Co więcej, interfejsy GbE zazwyczaj posiadają dławiki sygnałów wspólnych (CMC), czyli cewki indukcyjne blokujące wyższe częstotliwości prądu zmiennego w celu ograniczenia skokowych wyładowań elektrostatycznych (ESD). Ostateczny stopień ochrony zależy od zastosowanego zestawu zakończeniowego Boba Smitha. W celu dopasowania impedancji sygnału wspólnego dla par przewodów sygnałowych połączonych zbiorowo za pomocą kondensatora do masy wykorzystuje się w nim rezystor 75Ω. Zakończenie tego typu może pomóc w zmniejszeniu emisji sygnałów wspólnych, które omówiono w dalszej części artykułu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Warstwa fizyczna sieci GbE posiada wbudowane zabezpieczenia przed napięciami przejściowymi, w tym transformator izolacyjny, dławik sygnałów wspólnych i rezystorowy obwód zakończeniowy. (Źródło ilustracji: Semtech)

Poleganie wyłącznie na transformatorze izolacyjnym dla warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE, dławiku sygnałów wspólnych i obwodzie zakończeniowym w celu zapewnienia kompleksowej ochrony jest ryzykowne. Mimo iż opisywane komponenty oferują w ograniczenie napięć przejściowych pewnym stopniu, istnieje szereg okoliczności, w których port nadal będzie narażony na uszkodzenia.

Wyróżniamy dwie klasy nagłych skoków napięć przejściowych w systemach GbE zależne od ich charakteru: sygnałów wspólnych i sygnałów różnicowych. W przypadku stanów nieustalonych napięcia sygnałów wspólnych napięcie na wszystkich przewodach warstwy fizycznej (PHY) GbE natychmiast wzrasta do tego samego napięcia względem masy. Pomiędzy poszczególnymi przewodami nie dochodzi do przepływu prądu z uwagi na fakt, że wszystkie przewody mają ten sam potencjał. Zamiast tego prąd płynie do masy. Wspólna ścieżka przepływu prądu biegnie przewodem do masy przez centralny zaczep transformatora i przez obwód zakończeniowy (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Prąd sygnałów wspólnych o wysokim napięciu przejściowym przepływa przez złącze RJ-45 do masy za pośrednictwem środkowego zaczepu transformatora izolacyjnego. (Źródło ilustracji: Semtech)

Udar sygnału różnicowego jest inny. Prąd wpływa do portu GbE na jednej z linii sygnałowych pary różnicowej, płynie przez transformator i z powrotem z portu na drugiej linii sygnałowej. Przepływ prądu w stanie nieustalonym przez główne uzwojenie transformatora powoduje udar prądowy w uzwojeniu wtórnym. Gdy udar przeminie, energia zmagazynowana w transformatorze przeniesie się do miejsca wrażliwej warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE. To właśnie ta energia w najlepszym wypadku powoduje utratę danych i błędy, a w najgorszym - prowadzi do trwałych uszkodzeń (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Udar sygnału różnicowego indukuje w transformatorze izolacyjnym prądy, które mogą uszkodzić wrażliwe obwody elektroniczne. (Źródło ilustracji: Semtech)

Ilustracja 4 pokazuje, że udar sygnału różnicowego jest najbardziej niebezpieczny, ponieważ naraża warstwę fizyczną (PHY) sieci GbE na napięcia mogące wywołać uszkodzenia. W celu zabezpieczenia przed takimi udarami potrzebna jest dodatkowa ochrona po drugiej stronie transformatora izolacyjnego.