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关于以太网保护电路设计的讨论

2019年6月28日星期五

以太网通信在各个领域里得到了广泛的应用,为设备之间的互联提供了便利的连接方案。而对功耗、速度和功能的追求,PHY 芯片的加工工艺也从65nm、45nm过渡到更先进的制程技术,因而对PHY 应用电路也提出更高的要求,特别是 ESD 防护、浪涌等。下面我们将就以太网保护电路做一些讨论,希望读者可能从中受到启发, 设计出符合其应用场景的方案*

由于以太网多样性和复杂性,如入网设备可能是常见的交换机、路由器,也可能是网络摄像头、服务器或者其他专用设备,而网络走线长度也从数十厘米到最长100米,不确定的网络环境为每个接入设备带来了威胁,例如ESD静电放电(Electrostatic Discharge)、CDE线缆放电(Cable Discharge)、EFT快速瞬变脉冲群(Electrical Fast Transients))以及雷击浪涌等。这些威胁按照其电气信号的特点分为两大类,快速上升时间事件和缓慢上升时间事件,当然这里快速和缓慢是相对的概念,分别是纳秒和微秒的区别。

图 1 快速上升时间事件和缓慢上升时间事件

ESD、CDE和 EFT 属于快速上升时间事件,这些事件的波形上升时间往往在纳秒级别,很多在1纳秒以内。ESD 是最常见的一种,来自于接触放电,无论是直接的接触还是通过空气间接接触。ESD 有几个模型,HBM(模拟人体接触),MM(设备对地放电)和CDM(集成电路对接地金属外壳放电)。人体,特别是手指接触产生的静电释放是很多设备面临的问题,根据环境湿度不同,有时候可以产生上千伏的静电。表1 是几种静电产生情况,部分静电的电压可以超过一般变压器的上限。

1静电生成案例

CDE 可以认为是静电释放的一种,但是又区别于ESD。根据 IEEE 802.3 标准,以太网线可以长达 100米。Cat-5 或者 Cat-6 双绞线可以视作一个电容器件,具有非常低的漏电属性。因而在摩擦(例如机器震动)或者互感的情况下,双绞线上可以累积电势。并且在插入网线的瞬间释放电能。

EFT 通过是在开关或者继电器在电弧接触的过程中产生的。一般频率在2K到5KHz 之间,脉冲群可以持续几个十毫秒。表2 是 IEC 61000-4-4 关于 EFT 的防护等级。

表2 IEC61000-4-4 等级

浪涌和雷击则能够对设备造成更大的破坏,特别是有网络布线暴露在户外的。其电压可达到6KV以上,电流 100A,并且持续时间也比上述威胁更长。当然现在很多建筑物都有避雷措施,以及在入户的时候安装防雷、防浪涌的器件。但是对于户外设备,过长的网络走线往往会受到雷击、闪电的干扰。

表 3 是 ITU K.20 关于雷击的测试标准。

针对上面提到两类事件,由于它们电气信号的特点,如上升时间和电压/电流强度不同,我们往往会采用不同的保护器件来应对。快速上升时间时间一般可以通过半导体元件,如 TVS实现过压保护。而缓慢上升时间事件一般其电流较大,往往会超过很多半导体材料的上限,因而采用陶瓷气体放电管、抗浪涌保险丝等。而在设计保护电路时,更多我们使用的是共模和差模干扰概念。因为上面的几种情况,最终都会在电路上生成共模和差模信号。如雷击、闪电更多的为设备带来共模干扰,其会通过互感或者提升接地面电压给所有的双绞线对或者设备接地造成整体的电压上升。而 ESD或者 CDE 由于放电对象的不确定性,可以造成共模或者差模干扰。在有些情况下,共模干扰又会转变为差模干扰。所以我们会针对共模和差模干扰进行设计,并根据信号特点选择合适的器件。下图是共模和差模干扰的模型。

图 2 共模和差模干扰的模型

 

保护策略

在讨论保护策略的时候我们需要知道电压本身并不会引起设备或者器件的损坏,如本身带有上千伏静电的设备却可以正常工作。往往是电压引起的电流会造成破坏。因而我们将根据两个基本的策略来实施,第一,阻止干扰信号的电流,第二,对于不可避免的电流,将其引导至设计的安全路径,并确保该路径上的所有环节都可以承受预计的电流。这对共模或者差模干扰都是一样的。

 

共模干扰防护

变压器作为网线接入设备后信号抵达的第一个器件,在共模干扰上是第一道防线。根据 IEEE standard 802.3 规定变压器需要提供 1500VRMS 的信号隔离,峰值约为2.1kV。实际上大部分编译器往往能够承受4kV 到 8kV 的电压,这是抵御共模干扰的一个很有用的特点。但必须注意的是,标称 1500VRMS 的变压器不一定都可以实现超额保护,这还取决于不同的生产厂商、批次等,最好查看对应的技术手册,或者采用明确可以提供更高防护等级的变压器。

 

对于需要更高的防护等级,如GR974-CORE、ITU K2.8,可以在变压器前端使用能够承受5000V和250A电流的 TSS半导体放电管或者10~20kV 的GDT 陶瓷气体放电管。如图3 所示,并串入较小的电阻 R1和 R2,这可以是放电电流往导向电阻更小的通道,而不是经过变压器。当然 R1/R2 在双绞线的引入,可能会影响到以太网一致性测试,因此需要用户权衡是否使用该电阻以及使用多大的电阻,其带来的影响能否满足需求。

图 3 共模干扰保护

 

在PCB 布线时,我们也有可能忽视下面问题,过小的走线间距,EMC 设计时没有使用足够耐压的原件。

 

图4 中的 C1 和 R1 时为了符合802.3 EMC 标准常用的方案,称为 Smith termination 。这里 C1 会成为抑制共模干扰的薄弱点。一旦干扰电压超过C1 的最大耐压值将其击穿,那么电流就会进入PHY 电路。因此需要仔细选择合适的器件,或者在EMC 测试允许的情况下,不使用该设计。

图 4 Smith termination

 

对于带有 LED 指示灯的RJ45,在使用时也需要值得注意。LED 控制信号一般直接和 PHY 连接。需要确保LED 和 RJ45 金属外盒有足够的间距,如4mm以上,如果可能最好查阅其手册是否有关于 LED 和金属外壳之间空气击穿电压的说明。并酌情对LED 的电源和控制信号添加保护,如采用TVS和光耦。

图 5 RJ45 LED 连接

 

差模干扰防护

变压器对于差模干扰信号仅相当于1到2欧姆的等效电阻,相比于共模干扰我们需要其他的措施来防护。差模干扰一般通过变压器耦合,在次级上产生电流。而变压器次级连接的时PHY,因而直接对PHY 造成破坏。下图是 2/10us 100A 干扰信号经过变压器耦合后在次级上情况。尽管由于变压器自身达到饱和,只在次级上耦合产生了幅度和时间都相对初级上较小的干扰信号。根据Q=I2t 计算电流能量,在次级上至相当于初级的 2%,但是25A, 3us 的干扰足够损坏PHY 芯片。

图 6 差模信号变压器次级耦合

 

根据前面提到的两个策略,我们仍旧从阻止干扰电流和将干扰电流导向安全路径两个角度出发来考虑差模干扰的防护。

 

为了尽可能地衰减次级耦合电流,我们首先考虑有效降低变压器初级电路上的电流。在变压器前端加入过流保护器件,当电流瞬间变大时,F1~F4 的电阻会相应增加从而抑制电流。

图 7 过流保护

 

对于进入变压器次级电路的耦合电流,一般采用容抗低、响应快的TVS 瞬态抑制管。如图8,过高的电压会使 D1 导通,将干扰电流通过 D1 释放,避免直接冲击 PHY。有诸多厂商提供了TVS 保护器件,用户需要结合自己的应用场景,从TVS 的导通电压、最大电压和功率、容抗特性以及成本方面选择合适器件。通常在 PHY 链路上引入额外的组件,也有可能会以太网一致性测试产生影响。

8 TVS 瞬态抑制管应用

PoE

由于可以免去设备的单独供电线路,在安防、工业现场甚至办公室、家庭环境中都出现了支持 PoE 的网络。然而将不支持 PoE 的设备直接接入PoE 网络往往会引起设备损坏,尽管标准的 PoE 供电端会带有过流检查。因此用户应该避免上述操作。或者在PCB 设计的时加入相应的 PoE 电路,但这会带来额外的成本,并且该功能对设备来讲是非必要的。下图是一种参考设计,可以兼容PoE 802.3af Standards A 和 B 。

图 9 PoE 设计

 

总结

本文就以太网保护设计方面提出设计策略以及几种应对的设计思路,正如不同的标准中都有多个级别的防护等级,用户需要根据实际的项目应用场景来选择合适的方案,这包括PCB 设计、器件选择、成本、信号一致性等。而以太网防护并不是一个独立的设计,如上面提到的 Smith termination,甚至电源、信号和机壳接地等多个因素都有可能将干扰源耦合到以太网链路中。

 

 

参考:

https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics
https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics/page/0/1
https://interferencetechnology.com/defending-ethernet-ports-from-electrical-transient-events/
https://incompliancemag.com/article/designing-ethernet-cable-ports-to-withstand-lightning-surges/
https://www.littelfuse.com/~/media/electronics/design_guides/esd/littelfuse_ethernet_protection_design_guide.pdf.pdf
http://www.protekdevices.com/xyz/documents/kb/tech/an1011.pdf
https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/83/4f/8e/b6/5c/79/4e/bb/CD00242140.pdf/files/CD00242140.pdf/jcr:content/translations/en.CD00242140.pdf
https://www.mouser.com/pdfdocs/Semtech_Protection_Design_Telecom_Network.pdf
https://www.onsemi.cn/PowerSolutions/document/TND410-D.PDF

 

* 本文的内容来自不同的芯片供应商、设备厂商的资料,Toradex 不对其有效性负责,用户需自行验证方案。

 

Author: 胡珊逢,FAE,韬睿(上海),

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