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

Stosowanie diod TVS do ochrony przeciwprzepięciowej

Zabezpieczenie warstwy fizycznej (PHY) sieci GbE wymaga zastosowania urządzeń, które potrafią izolować, blokować lub ograniczać duże impulsy energii w stanach nieustalonych. Dodatkowe transformatory mogą w pełni izolować elektronikę sieci Ethernet, ale są nieporęczne i potrafią być drogie. Bezpieczniki stanowią niedrogą metodę blokowania, ale wymagają resetowania lub wymiany po każdym zadziałaniu. Diody TVS stanowią dobry kompromis - skutecznie obniżają maksymalne napięcie przejściowe do bezpiecznego poziomu, nie wymagają resetowania, są kompaktowe i dostępne w rozsądnej cenie.

Pod względem budowy dioda TVS jest urządzeniem p-n o specjalnie zaprojektowanym dużym przekroju złącza w celu absorpcji wysokich prądów i napięć w stanach nieustalonych. Podczas gdy charakterystyka napięciowo-prądowa diod TVS jest podobna do diod Zenera, urządzenia te są przeznaczone do ograniczania napięcia, a nie jego regulacji. Główną zaletą diody TVS w porównaniu do innych urządzeń ograniczających jest szybka reakcja (zazwyczaj liczona w nanosekundach) na elektryczne stany nieustalone. Polega ona na bezpiecznym przekierowaniu energii stanu nieustalonego do masy przy zachowaniu stałego napięcia progowego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Dioda TVS zapewnia niskoimpedancyjną drogę przepływu do masy dla napięć przejściowych przekraczających poziom progowy. W rezultacie w chronionym obwodzie mogą występować tylko bezpieczne napięcia. (Źródło ilustracji: Semtech)

Podczas normalnej pracy, z punktu widzenia obwodu dioda TVS wykazuje wysoką impedancję dla napięć nieprzekraczających napięcia roboczego (VRWM). Gdy napięcie na zaciskach przekracza napięcie przebicia (VBR), w złączu diody dochodzi do przebicia lawinowego, co powoduje „przebicie zwrotne”, czyli przejście do niskoimpedancyjnego stanu włączenia. Powoduje to obniżenie napięcia do poziomu progowego (VC) gdy przez urządzenie przepływa prąd szczytowy impulsu w stanie nieustalonym (I PP). Maksymalne napięcie w zabezpieczanym obwodzie równe VC jest zwykle umiarkowane. Gdy natężenie prądu spadnie poniżej prądu trzymania (IH), dioda TVS powróci do wysokoimpedancyjnego stanu wyłączenia (ilustracja 6 i tabela 1).

Ilustracja 6: Charakterystyka robocza diod TVS. Przy napięciu przebicia komponent przełącza się w niskoimpedancyjny stan włączenia i obniża napięcie do bezpiecznego poziomu progowego dla przepływającego prądu szczytowego w stanie nieustalonym. (Źródło ilustracji: Semtech)

Tabela 1: Definicje parametrów na ilustracji 6. (Źródło tabeli: Semtech)

Diody TVS renomowanych producentów przeznaczone są do ochrony interfejsów przy jednoczesnym spełnieniu surowych norm odporności, takich jak IEC 61000-4-2 (wyładowania elektrostatyczne), IEC 61000-4-4 (szybkie elektryczne stany przejściowe) oraz IEC 61000-4-5 (wyładowania atmosferyczne).

Norma IEC 61000-4-5, która określa sposób badania odporności na przepięcia, zawiera szczegóły przebiegu typowego przepięcia wykorzystywane do określania parametrów diod TVS. Przebieg ten symuluje pośrednie uderzenie pioruna i osiąga 90 procent jego szczytowej wartości prądu (tp) w ciągu 8µs, a po upływie 20µs natężenie obniża się do 50% wartości szczytowej. Arkusze danych często określają to mianem „przebiegu 8/20µs” i zawierają szczegóły dotyczące maksymalnego prądu szczytowego impulsu (IPP), jaki może wytrzymać urządzenie zabezpieczające. Arkusze danych zazwyczaj szczegółowo opisują również odpowiedź produktu na powiązany przebieg udaru napięciowego spowodowany pośrednim uderzeniem pioruna na poziomie 1,2/50µs (udar o stanie nieustalonym o wartości szczytowej sięgającej 1,2µs i osiągający 50% wartości szczytowej po upływie 50µs).

Inną kluczową cechą charakterystyczną diody TVS jest jej „napięcie wytrzymywane wyładowań elektrostatycznych (ESD)”. Jest to maksymalne napięcie wyładowcze elektryczności statycznej, które urządzenie zabezpieczające może tolerować bez uszkodzenia i zazwyczaj wynosi kilkadziesiąt kV.