Gigabit Ethernetin suojaus transienttijännitteitä ja -virtoja vastaan TVS-diodeilla

Gigabit Ethernet (GbE) on luotettava ja nopea tiedonsiirtojärjestelmä, jota käytetään laajalti kotitalouksissa sekä kaupallisissa ja teollisissa tiloissa. Ethernet-järjestelmiin liittyy kuitenkin haasteita erityisesti, kun yhteyttä laajennetaan rakennuksen ulkopuolelle. Pidempiin linjoihin voi liittyä odottamattomia korkeita transienttijännitteitä ja -virtoja, ja sähköstaattiset purkaukset (Electrostatic Discharge, ESD) muodostavat jatkuvan riskin.

GbE-protokollan fyysinen kerros (Physical Layer, PHY) sisältää joitakin suojakomponentteja, kuten erotusmuuntajan. Sisäänrakennettu transienttijännitesuojaus ei kuitenkaan riitä kaikissa olosuhteissa.

Transienttijännitteen vaimennusdiodit (Transient Voltage Suppression, TVS) ovat hyväksi todistettuja, edullisia ja luotettavia virtapiirin suojauslaitteita tila- ja kustannusrajoitteisiin sovelluksiin, kuten GbE. Nämä komponentit eivät vaikuta piirin toimintaan normaalitilassa. Niiden pitää kuitenkin suojata useita tiedonsiirtokanavia jopa 40 ampeerin (A) jännitepiikeiltä ja jopa 30 kilovoltin (kV) ESD-purkauksilta sekä säilyttää normaalissa käytössä matala kuormituskapasitanssi huippunopeiden signaalien eheyden varmistamiseksi.

Tässä artikkelissa kuvaillaan GbE-teknologian korkeajännitetransientteihin ja ESD-suojaukseen liittyviä suunnitteluhaasteita sekä TVS-diodien erityisominaisuuksia, joita tarvitaan energiavaimennukseen. Tämän jälkeen artikkelissa tutustutaan ongelmien kaupallisiin ratkaisuihin sekä siihen, kuinka esiteltyjä komponentteja voidaan käyttää järjestelmissä transienttisuojauksen toteuttamiseksi erilaisten standardien, kuten IEC 61000-4-2, -4 ja -5, mukaisesti.

Transienttijännitteiden aiheuttamat vaarat

GbE on langallinen huippunopea tiedonsiirtojärjestelmä. Digitaalisen signaalin ykköset ja nollat kuljetetaan kupariliitännän ylitse differentiaalisignaaleina. Kuparilanka on kuitenkin myös täydellinen siirtomekanismi korkeille transienttijännitteille ja ESD-häiriöille, jotka voisivat vahingoittaa piistä valmistettuja piirielementtejä (kuva 1).

Kuva 1: Ilman suojausta GbE-protokollan fyysiset kerrokset voivat tuhoutua korkeiden transienttijännitteiden ja ESD-häiriöiden seurauksena. (Kuvan lähde: Semtech)

GbE-protokollan fyysisen kerroksen rakenteeseen sisältyy erotusmuuntajan mahdollistama jonkinasteinen suojaustaso. GbE-spesifikaatio (IEEE 802.3) vaatii vähintään 2,1 kV:n erotusluokitusta. Useimmat kaupalliset muuntajat tarjoavat 4–8 kV:n eristyksen. Lisäksi GbE-rajapintoihin kuuluu tyypillisesti yhteismuotoinen kuristin (Common Mode Choke, CMC), joka on korkeataajuisen vaihtovirran estämiseen ja ESD-piikkien vaimentamiseen suunniteltu induktori. Viimeisen suojaustekijän tarjoaa ”Bob Smith” ‑terminointi. Siinä käytetään 75 ohmin (Ω) vastusta, jolla toteutetaan kondensaattorin kautta maahan yhdistettyjen signaaliparien yhteismuotoinen impedanssisovitus. Tällä terminoinnilla voidaan vähentää myöhemmin käsiteltäviä yhteismuotoisia emissioita (kuva 2).

Kuva 2: GbE-protokollan fyysinen kerros sisältää joitain sisäänrakennettuja suojauselementtejä transienttijännitteitä vastaan, mukaan lukien erotusmuuntaja, yhteismuotoinen kuristin ja vastusta käyttävä terminointipiiri. (Kuvan lähde: Semtech)

On riskialtista luottaa pelkästään GbE-protokollan fyysisen kerroksen sisältämän erotusmuuntajan, CMC:n ja terminointipiirin tarjoamaan suojaukseen. Vaikka nämä komponentit tarjoavat jonkintasoisen suojan transienttijännitteitä vastaan, on monia tekijöitä jotka voivat vaurioittaa porttia.

GbE-transienttijännitteiden pulssit voidaan luokitella yhteismuotoisiin ja differentiaalimuotoisiin pulsseihin. Yhteismuotoisen transienttijännitteen aikana GbE-protokollan fyysisen kerroksen kaikkien johdinten jännite nousee samalle tasolle maadoitukseen nähden. Koska kaikilla johtimilla on sama potentiaali, virtausta ei esiinny yhdestä johtimesta toiseen. Sen sijaan virta siirtyy maahan. Yhteismuotoinen virta kulkee johtimesta maahan muuntajan keskioton ja terminointipiirin kautta (kuva 3).

Kuva 3: Korkean transienttijännitteen yhteismuotoinen virta kulkee RJ-45-liittimen läpi maahan erotusmuuntajan keskioton kautta. (Kuvan lähde: Semtech)

Differentiaalimuotoinen virtapiikki on kuitenkin erilainen. Virta kulkee GbE-porttiin differentiaaliparin yhden signaalilinjan kautta, muuntajan läpi ja sitten takaisin ulos portista toisen signaalilinjan kautta. Muuntajan ensiökäämin kautta kulkeva transienttivirta aiheuttaa virtapiikin toisiokäämiin. Kun virtapiikki päättyy, muuntajaan talteen jäänyt energia siirtyy sinne, missä herkkä GbE-protokollan fyysinen kerros sijaitsee. Juuri tämä siirtynyt energia aiheuttaa lievimmillään tietojen menetystä ja virheitä, mutta vakavissa tapauksissa pysyviä vaurioita (kuva 4).

Kuva 4: Differentiaalimuotoinen virtapiikki synnyttää sähkövirran erotusmuuntajan toisella puolella. Tämä voi vaurioittaa herkkiä sähköpiirejä. (Kuvan lähde: Semtech)

Kaavio 4 näyttää, että differentiaalimuotoinen virtapiikki on kaikista vaarallisin, sillä se altistaa GbE-protokollan fyysisen kerroksen potentiaalisesti vaarallisille jännitteille. Erotusmuuntajan toisiopuolelle tarvitaan lisäsuojausta näitä virtapiikkejä vastaan.

TVS-diodien käyttö virtapiikeiltä suojautumiseen

GbE-protokollan fyysisen kerroksen suojaus vaatii komponentin, joka voi eristää, estää tai vaimentaa korkeat transienttienergiapulssit. Ethernet-elektroniikan voi eristää täysin lisäämällä muuntajia, mutta ne ovat kookkaita ja kalliita. Sulakkeet tarjoavat edullisen estomenetelmän, mutta ne täytyy nollata tai vaihtaa aina jokaisen estotapahtuman jälkeen. TVS-diodi on kompakti ja suhteellisen edullinen kompromissi, joka vaimentaa huipputransienttijännitteen turvalliselle tasolle tehokkaasti eikä vaadi nollausta.

TVS on rakenteeltaan p-n-laite, johon on erityisesti suunniteltu suuri liitospoikkipinta-ala korkeiden transienttivirtojen ja -jännitteiden absorboimiseksi. Vaikka TVS-diodin jännite-/virtaominaisuudet muistuttavat zenerdiodin vastaavia, se on suunniteltu jännitteen säädön sijasta sen vaimentamiseen. Yksi TVS-diodin merkittävä hyöty muihin vaimennuslaitteisiin nähden on sen nopea vaste transientteja vastaan (tyypillisesti vain nanosekunteja). Se ohjaa transienttienergian turvallisesti maahan ilman että se vaikuttaisi rajoitusjännitteeseen (kuva 5).

Kuva 5: TVS-diodi tarjoaa raja-arvon ylittäville transienttijännitteille matalan impedanssin polun maahan. Tämän seurauksena suojatun piirin jännite pysyy turvallisella tasolla. (Kuvan lähde: Semtech)

Normaalin toiminnan aikana TVS-diodi näkyy piirissä korkealla impedanssilla sen käyttöjännitteeseen (V_RWM) asti. Kun laitteen liitosnapojen jännite ylittää läpilyöntijännitteen (V_BR), diodin liitoksessa tapahtuu vyöryläpilyönti, joka johtaa ”snap-back”-ilmiöön eli komponentin tila vaihtuu matalan impedanssin johtamistilaan. Tämä toiminto laskee jännitteen rajoitusjännitteeseen (V_C) transienttihuippupulssin (I_PP) virratessa laitteen läpi. Suojatun piirin enimmäisjännite on yhtä suuri kuin V_C, mikä on yleensä varsin matala. Kun virtaus laskee pitovirran (I_H) alapuolelle, TVS-diodi palaa korkean impedanssin ei-johtamistilaan (kuva 6 ja taulukko 1).

Kuva 6: TVS-diodin toiminnalliset ominaisuudet. Läpilyöntijännitteellä komponentti siirtyy matalan impedanssin johtamistilaan ja laskee jännitteen turvalliseen rajoitusjännitteeseen, kunnes transienttihuippuvirta menee ohi. (Kuvan lähde: Semtech)

Taulukko 1: Kuvan 6 parametrien määritelmät. (Taulukon lähde: Semtech)

Luotettavien valmistajien tarjoamat TVS-diodit on suunniteltu suojaamaan rajapintoja sekä täyttämään eri asiakirjoissa, kuten IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) ja IEC 61000-4-5 (salamaniskut), määritellyt tiukat immuniteettistandardit.

Syöksyjännitteiden immuniteettitestaukset määrittelevässä IEC 61000-4-5-standardissa on tiedot TVS-diodin kapasiteetin määrittämiseen käytettävän tyypillisen virtapiikin aaltomuodosta. Epäsuoraa salamaniskua simuloiva aaltomuoto saavuttaa 90 % huippuvirrastaan (tp) 8 mikrosekunnissa (µs) ja laskee 50 %:iin huippuarvostaan 20 mikrosekunnissa. Teknisissä tiedoissa tätä kutsutaan usein 8/20 µs:n aaltomuodoksi, ja tietoihin sisältyy aaltomuodon enimmäishuippupulssivirta (I_PP), jonka suojauslaite kestää. Teknisissä tiedoissa ilmoitetaan tyypillisesti myös tuotteen vaste epäsuoran salamaniskun syöksyjännitteen aaltomuodolle arvoilla 1,2/50 µs (transienttipiikki, joka saavuttaa huippujännitteensä ajassa 1,2 µs ja laskee 50 prosenttiin ajassa 50 µs).

Toinen TVS-diodin tärkeistä suojausominaisuuksista on sen ESD-kestojännite. Tämä tyypillisesti kymmenissä kilovolteissa mitattava arvo on staattisen sähkön maksimi purkausjännite, jonka suojauslaite voi kestää ilman vaurioita.

TVS-diodit GbE-protokollan fyysisen kerroksen suojaukseen

GbE-protokollan lisäksi TVS-diodeja on saatavilla eri rajapintojen suojaukseen, mukaan lukien HDMI, USB Type-C, RS-485 ja DisplayPort. Kukin näistä rajapinnoista vaatii kuitenkin hieman erilaiset suojaustasot. Siksi on tärkeää, että TVS-diodi on suunniteltu juuri haluttua sovellusta varten.

Esimerkiksi Semtech valmistaa lukuisia TVS-diodeja, jotka on tarkoitettu GbE-rajapintojen suojaukseen. Nämä laitteet valmistetaan prosessitekniikalla, joka Semtechin mukaan laskee vuotovirtaa ja kapasitanssia muihin piipohjaisiin vyörydiodiprosesseihin verrattuna. Tuotevalikoiman toinen hyöty on matala käyttöjännite välillä 3,3–5 volttia (riippuen versiosta) energian säästämiseksi.

Esimerkiksi RailClamp-sarjaan kuuluva RCLAMP0512TQTCT sopii 2,5 gigabitin Ethernet-rajapinnan suojaukseen. Tällä laitteella on 20 ampeerin I_PP-kapasiteetti (tp = 8/20 ja 1,2/50 µs) ja 170 watin huippupulssiteho (P_PK). ESD-kestojännite on +/-30 kV. V_BR on 9,2 volttia (tyypillinen), I_H on 150 milliampeeria (tyypillinen) ja V_C on tyypillisesti 5 volttia ja enimmillään 8,5 volttia (kuva 7).

Kuva 7: RCLAMP0512TQTCT-piirin rajoitusjänniteominaisuudet, kun se altistetaan 1,2/50 µs:n jännite- ja 8/20 µs:n virtapiikille huippuvirralla 20 A. Lyhytaikaisen huipun jälkeen rajoitusjännite asettuu alle 5 volttiin GbE-protokollan fyysisen kerroksen suojaamiseksi. (Kuvan lähde: Semtech)

RCLAMP0512TQ on kompakti laite 3-nastaisessa SGP1006N3T-kotelossa, jonka mitat ovat 1,0 x 0,6 x 0,4 millimetriä.

Semtech RailClamp ‑sarjaan kuuluu myös muita tuotteita, jotka tarjoavat paremman suojauksen 1 gigabitin Ethernet-sovelluksiin potentiaalisesti vaarallisemmissa olosuhteissa. Esimerkiksi RCLAMP3374N.TCT tarjoaa arvot 40 A:n I_PP (tp = 8/20 ja 1,2/50 µs) ja 1 kilowatin P_PK. ESD-kestojännite on +/-30 kV. V_C on 25 volttia (maksimi), kun I_PP = 40 A. Komponentin mitat ovat 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

RailClamp-sarjan keskitason tuote on RCLAMP3354S.TCT. Se soveltuu 1 gigabitin Ethernetin suojaukseen ja tarjoaa arvot 25 A:n I_PP (tp = 8/20 ja 1,2/50 µs) sekä 400 watin P_PK. ESD-kestojännite on +/-30 kV. V_C on 16 volttia (maksimi), kun I_PP = 25 A.

TVS-diodisuojauksen suunnittelu

Kuvassa 8 näkyy GbE-protokollan fyysisen kerroksen suojauksen rakenne käytettäessä RCLAMP0512TQTCT-diodia. Komponentit asennetaan muuntajan PHY-puolelle kuhunkin Ethernet-linjapariin tarjoamaan suojaa differentiaalimuotoisia piikkejä vastaan. Ethernet-differentiaaliparit reititetään kunkin TVS-diodikomponentin kautta nastoilla 1 ja 2, kun taas nasta 3 jätetään kytkemättä.

Kuva 8: TVS-suojadiodikomponentit sijoitetaan muuntajien Ethernet PHY ‑puolelle kuhunkin differentiaalilinjapariin mahdollisimman lähelle fyysisen kerroksen magneettiosia. (Kuvan lähde: Semtech)

Suunnittelijan tulee rajoittaa suojauspolun loisinduktanssia sijoittamalla suojakomponentit mahdollisimman lähelle Ethernetin fyysisen kerroksen magneettiosia, mielellään piirilevyn samalle puolelle. Myös maadoituskytkennät kannattaa tehdä suoraan piirilevyn maatasoon käyttämällä mikrokokoisia läpivientejä.

Loisinduktanssien vähentäminen on erityisen tärkeää nopeasti nousevien transienttien vaimentamiseksi. Suojauslaitteen polulla oleva induktanssi kasvattaa V_C-jännitettä, jolle suojattu laite altistuu. V_C on verrannollinen polun induktanssiin kerrottuna virran muutosnopeudella piikin aikana. Jos esimerkiksi polun induktanssi on vain 1 nanohenryä (nH), se voi kasvattaa V_C-huippuarvoa 30 voltilla, jos 30 A:n ESD-pulssin nousuaika on 1 nanosekunti.

Huomaa, että valitun Ethernet-muuntajan täytyy kestää odotettavissa olevat piikit vikaantumatta. Tyypillinen Ethernet-muuntaja kestää joitain satoja ampeereja (tp = 8/20 µs) ennen vikaantumista, mutta tämä tulee vahvistaa testauksella. Jos muuntajan immuniteetista virtapiikeille ei ole varmuutta, suojakomponentti voidaan sijoittaa muuntajan linjapuolelle. Tämän ratkaisun huono puoli on, että muuntajan lisäsuojaus menetetään, ja GbE-järjestelmän kyky kestää korkean energian virtapiikkejä rajoittuu suojalaitteen kapasiteettiin.

Yhteenveto

GbE on luotettava ja laajalti käytetty huippunopea tiedonsiirtojärjestelmä, mutta kaikkiin johtimia käyttäviin järjestelmiin voi kohdistua energiatransientteja esimerkiksi salamaniskujen ja ESD-häiriöiden seurauksena. GbE-portin muuntaja, CMC ja terminointipiiri vaimentavat jossain määrin tällaisia piikkejä, mutta differentiaalimuotoiset virtapiikit voivat ohittaa tämän vaimennuksen ja vahingoittaa Ethernetin fyysistä kerrosta. Kriittisissä järjestelmissä suositellaan lisäsuojauksen käyttöä.

TVS-diodi on hyvä keskihintainen ja kompakti vaihtoehto, joka vaimentaa huipputransienttijännitteen turvalliselle tasolle tehokkaasti eikä vaadi nollausta. Suojakomponentin huolellinen valinta sovelluksen mukaan on suositeltavaa, sillä niiden ominaisuudet, kuten huippuvirtasuojaus, voivat erota paljonkin toisistaan. Lisäksi TVS-diodin tarjoaman suojauksen maksimoimiseksi tulee noudattaa hyviä suunnitteluperiaatteita muun muassa sijoituksen ja maadoituksen suhteen.