以太网接口ESD/浪涌保护电路设计

2012-05-08敖奇

铁路通信信号工程技术 2012年5期

敖奇

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

以太网接口已越来越广泛地应用于铁路通信信号设备中。随着通信速率的提高，集成芯片对静电放电（ESD）、电缆放电（CDE）事件、浪涌等干扰变得敏感易损坏，如不加以防护，设备的可靠性将受到影响。因此应对各种干扰的形成原因及其特点进行分析，并通过对保护器件的对比选择，以设计出合理的以太网接口保护电路，提高设备的可靠性。

2 干扰形式

2.1 ESD干扰

ESD即静电放电。根据ESD来源的不同，其模型可分为人体模型（HBM）、被充电器件模型（CDM）和机器模型（MM）。对于以太网接口而言，ESD主要发生在操作人员接触以太网接口时。人体已积累的静电电荷会通过以太网接口进行泄放，从而发生ESD事件。因此以太网接口的ESD防护是以防人体静电为主。

IEC61000-4-2采用的ESD人体模型为150 pF电容上积累的电荷通过330 Ω串联电阻向外泄放。该模型放电时的电流脉冲波形如图1所示。可以看出该波形在700 ps到1 ns内便达到峰值，并且整个波形仅持续60 ns，因此，其能量较小但高频威胁较大。IEC61000-4-2中关于ESD试验等级的划分如表1所示，其中试验等级4仅在极其干燥的环境下考虑。表1中试验电压包括正负两种电压，一般而言，在相同试验等级下，接触放电对以太网接口的危害更大。

表1 IEC61000-4-2 ESD试验等级

2.2 CDE干扰

CDE现象在以太网环境中普遍存在。网线相当于是可以存储电荷的容性元件，并且其电容值会随着网线长度的变长而增加。在发生摩擦效应（如在管道中拖拉网线）或电磁感应效应（如被邻近牵引电缆干扰）时，两端悬空的以太网线（尤其是非屏蔽以太网线）会被充电。由于5类、6类网线具有低漏电流的特点，因此电荷可在网线上存储数个小时到数十个小时。当一个充了电的网线被插入到RJ-45端口时，瞬态电流会选择最低阻抗路径泄放，从而形成CDE事件。

以太网线具有低电阻性高容性的特点，因此CDE波形不同于人体模型的ESD波形。CDE波形一般具有快速上升沿，并伴随有极性反转的振荡现象。CDE波形参数会随着以太网线的特性（如长度）及环境（温度、湿度）的不同而改变。文献[1]给出的7.6 m长的5类网线CDE波形仅持续600 ns，而另一文献[2]中100 m长的5类网线CDE波形则持续达15 μs。由于网线的容性特性，线缆越长，则振荡频率越低，线缆越短，则振荡频率越高。

由于CDE形成环境的复杂性及缺乏足够的实验数据，目前还没有任何一个标准对CDE进行建模描述，电信工业协会（TIA）推荐采用IEC61000-4-2标准考虑CDE影响[3]。当网线长度超过60 m时，安装网线时应当额外注意CDE的影响[1]。

2.3 浪涌干扰

以太网接口设计中考虑的浪涌是以太网线受其周围高压电缆的电磁干扰而产生的。由于网线高度平衡的双绞线制作方法，因此仅需考虑共模干扰即可。

相对于ESD干扰而言，浪涌电压是一个“慢信号”，其脉冲上升时间在μs量级。在相同幅值下，由于脉冲持续时间较长，浪涌的能量要比ESD大得多。IEC61000-4-5用组合波来描述浪涌脉冲，即同一发生器可以产生1.2/50 μs的电压波（发生器输出为开路）和8/20 μs的电流波（发生器输出为短路），如图2、3所示。IEC61000-4-5中规定的浪涌试验等级如表2所示，室内应用环境下不需做等级4试验。表中试验电压包括正负两种电压。对于以太网这种高度平衡线而言，不需要做线—线试验（即差模试验）。

表2 IEC61000-4-5浪涌试验等级

3 保护器件对比

3.1 气体放电管

气体放电管一般采用陶瓷作为封装外壳，放电管极间充满电气特性稳定的惰性气体。当外加电压增加到超过惰性气体的绝缘强度时，两极间的间隙将击穿放电，由原来的绝缘状态转化为导电状态，从而保护后续电路。导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平上。

优点：具有很强的电流吸收能力，即放电能力强、通流量大。具有很高的绝缘电阻以及很小的寄生电容，漏电流小。

缺点：残压高，反应时间长，动作电压精度较低。气体放电管还有一个缺点是有续流问题，但由于以太网工作电压低（小于5 V），因此不会导致气体放电管发生续流。

3.2 压敏电阻

当施加在压敏电阻两端的电压小于箝位电压时，压敏电阻呈高阻状态。当施加在压敏电阻两端的电压大于箝位电压时，压敏电阻就会击穿，呈现低阻值，甚至接近短路状态。压敏电阻这种被击穿状态是可以恢复的，当高于箝位电压的电压被撤销后，又可恢复高阻状态。

优点：箝位电压范围宽，反应速度快，通流量大，无续流。

缺点：结电容较大，许多情况下不在高频率信息传输中使用。该电容又与导线电容构成一个低通，会造成信号的严重衰减。频率低于30 kHz时，这种衰减可以忽略。

3.3 TVS管

瞬态抑制二极管简称TVS管，在规定的反向电压作用下，TVS管两端电压大于箝位电压时，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流通过，并将两端电压钳制在很低的水平，从而有效保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。双向TVS管可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率，并把电压钳制在预定水平。

优点：动作时间极快，达到ps范围。箝位电压低。

缺点：电流负荷量小。根据工艺的不同，部分TVS管的结电容相当高。

气体放电管、压敏电阻、TVS管的性能特点对比如表3所示。

表3 气体放电管、压敏电阻、TVS管性能特点对比

4 以太网接口保护电路设计

ESD防护对保护电路的响应时间要求比较苛刻，保护电路至少应在ns量级的时间内启动对后续电路的保护。

浪涌防护对保护电路的浪涌电流吸收能力要求较高。在试验等级为3级时，由于试验设备的内阻为42 Ω，保护电路至少应具备吸收48 A浪涌电流的能力。

CDE脉冲具有ESD的快速上升时间，TIA也推荐对其参照IEC61000-4-2进行考虑。考虑到CDE脉冲可能会持续时间长、能量大，因此，保护电路对CDE的浪涌电流吸收应按照IEC61000-4-5进行设计。尽管IEC61000-4-5标准不要求对高度平衡线缆进行差模试验，但考虑到CDE同时具有共模、差模影响，保护电路在差模保护能力上也要达到表2要求。

保护电路必须将干扰电压限制到10 V以内，以免对以太网物理芯片造成损坏。

为了避免对正常的高速通信产生影响，保护电路选用器件的结电容必须小于10 pF。

通过对保护器件的分析可以看出，没有哪种单一保护器件可以胜任对以太网接口的防护。气体放电管的响应速度太慢，残压太大。压敏电阻高的结电容导致其不可能直接并联在以太网通信线上使用。TVS管的浪涌电流吸收能力较差，尽管好的TVS管可以达到100 A的浪涌吸收能力，但浪涌保护的裕度太小。

基于上述考虑，本文设计了图4所示的两级防护电路。第一级采用贴片三极气体放电管，第二级采用低结电容的双向TVS管。该电路可对正负极性的共模/差模干扰进行防护。当一个干扰脉冲通过保护电路时，TVS管会先产生动作，将干扰脉冲钳制在限定电压范围内。干扰电压进一步增加后气体放电管会导通，并吸收干扰脉冲大部分的能量。串联电阻应选取电阻大于2 Ω、功率大于2 W的电阻。若无此电阻，则气体放电管无法导通，从而无法达到两极防护的效果。

该电路同时具备TVS管响应速度快、箝位电压低的特点，并具备气体放电管良好的浪涌电流吸收能力。

通过试验验证，该保护电路可在IEC61000-4-2 等级3、IEC61000-4-5等级3试验条件下，保护以太网接口不受损坏。