Littelfuse设计手册：电气威胁和以太网保护
中心议题：
- 雷击浪涌
- 静电放电 (ESD)
- 电快速瞬变 (EFT)
- 电缆放电事件 (CDE)
电路板设计人员经常使用 TVS 二极管阵列以提供以太网端口保护。很多时候，设计师使用保护以保持设备可靠性，防止四个主要威胁：
雷击浪涌冲击（IEC61000-4-5，GR-1089，
国际电联）
ESD 或静电放电 (IEC61000-4-2)
EFT 或电快速瞬变 (IEC61000-4-4)
CDE 或电缆放电事件
了解上面列出的事件的性质和“方向性”，将有助于指导设计师如何最好地保护以太网端口，更重要的是，设备的引脚如何连接将影响系统的性能。下面章节中所提供的信息，将参考图 1，以更好地说明一些要点。
了解威胁
雷击浪涌
根据要遵守的标准或法规，雷击浪涌可以是异模或有不同波形的共模。异模中，正负测试设备终端之间通过两根导线或引脚（即 J1 和 J2）连接，以使进入到 RJ-45 端口的电能量只出现在这两个导体（见图 2）之间。线路端保护设备，如这里列举的 Littelfuse SP03A 系列，硅保护阵列，会吸收能量，但一些能量还会传递到变压器，在变压器驱动器端或如本例所示，在 Tx+ 和 Tx- 数据线路之间创建一个异模事件。
对于共模测试，将对个别导线或数据线自身进行 GND 测试。测试设备正端将连接到所有的导线或引脚（即 J1、J2、J3 和 J6），负端将连接到 GND（见图 2）。在这种情况下，如果线路阻抗相近，SP03A 将吸收很少的能量。变压器的磁性将大部分的能量电容耦合到变压器驱动器端，作为以太网 PHY 一个共模事件出现。
静电放电 (ESD)
可通过接触或空气放电评估设备的 ESD 免疫力（根据IEC61000-4-2 标准）。有许多方法可注入 ESD，但在所有情况下，因为释放能量到 GND，ESD 脉冲作为电路共模事件出现。
电快速瞬变 (EFT)
检查设备的 EFT 免疫力（根据 IEC61000-4-4 标准），与共模雷击浪涌测试非常相似。在如图 3 所示比较典型的配置中，所有的导体（或引脚）电容耦合到测试信号发生器的正极和“浪涌”到 GND。如果数据线几乎没有差别，线对之间很少有异模能量，但变压器耦合电容会再次将共模能量以衰减的方式传输到驱动端。
电缆放电事件 (CDE)
CDE 是一种应有所区别的现象，应从静电放电 (ESD) 方面单独考虑。双绞线电缆的特点及其环境知识，在了解 CDE方面发挥重要的作用。频繁变化的电缆环境也加重了防止CDE 损害的难度。系统设计师可以通过良好布局做法和精心挑选组件最大限度地保护系统免受 CDE 危害。IEEE 802.3标准规定了 2250 VDC 和 1500VAC 隔离电压 ，以防止 CDE所产生高压造成的连接器故障。为了防止这些事件中的电弧，这些隔离要求适用于 RJ-45 接头以及隔离变压器。为了防止电介质损坏和电路板打火，行单面印刷电路板和地面应该有足够的爬电距离和走线间隙。实验室测试表明，承受 2000V 瞬态电压，FR4 电路板线间距应至少有 250 密耳的距离。（来源：www.national.com）。UTP 电缆放电事件可高达几千伏，可能有很大的破坏性。电荷的积累来自两个主要来源：摩擦电（摩擦）效应和电磁感应效应。
这些影响可能来自在尼龙地毯拉动一根 PVC 覆盖的 CAT5UTP 电缆，从而导致电缆电荷的聚集。以类似的方式，通过管道或通过其它网络电缆拖动电缆，同样会导致电荷在电缆上聚集。这种电荷聚集，类似于在地毯上摩擦脚。仅当电缆没有连接，且没有立刻释放聚集的电荷（即电缆两端未插入系统），才会发生电荷聚集。还有，必须保留了积累电荷，才可能造成实质损害。较新的 CAT5 和 CAT6电缆绝缘性非常好，往往能很长时间保留聚集的电荷。环境相对湿度低，聚集电荷的保留时间会增加。将带静电的UTP 电缆插入到 RJ-45 网络端口，有许多可能的放电路径。这个瞬态电流使用最低的电感线路，这条线路可以在RJ-45 接口，两个印刷电路板 (PCB) 之间，在变压器上，通过 Bob Smith 交流端，或通过硅装置。根据电缆的长度，所积累的电荷可以是一个典型的 ESD 模型放电的百倍。
随之而来的高能量放电可能会损坏连接器，变压器电路，或以太网收发器。双绞线电缆表现像一个存储电荷的电容器。有研究证明，未连接到终端的双绞线电缆可能会积累几百伏的电荷。此外，在一个小时内，完全放电的电缆可以积累其所能积累总电荷的一半。一旦有了静电，高品质的电缆保留其所带静电的时间可以超过 24 小时。下面图 4展示了不同长度的 CAT5 电缆积累静电如何随着时间而变化。由于较长的电缆有容量来存储更多的电荷，电缆长度超过 60m 的系统应采取额外的 CDE 预防措施。
另一个要了解的重要因素是 CDE 波形，因为它不像以前讨论的任何威胁，取决于耦合机制，要么是异模，要么是共模。此外，初步研究显示，它在特点上有很大差异，但总体上看，CDE 的波形能量高，体现在电压和电流驱动上。波形传播的时间为几百纳秒，能够快速反转极性。下面的图 5，给出了破坏性 CDE 波形的例子，在一个以太网 PHY 发射器引脚，一个 25 英尺双绞线电缆静电电压达 1.5KV。在该事件发生超过 600ns 时间的期间，在异模波形上看到有 64.8V 从正电压转换为负电压。在这个实验中，PHY 的发射器被破坏，无法在网络上传输数据包。
从电路板级设计师的角度来看，设计和制造以太网系统应注意 CDE，首要重点放在让静电远离 IC 器件方面。系统设计考虑包括添加 TVS 二极管阵列和耦合变压器本身。变压器电路将有助于防止共模瞬变，但高能量瞬变应该接地。
最佳的设备配置
任何线路端保护装置（这个例子中的 SP03A）不能有 GND引脚（2、3、6 和 7）连接到 GND，以保证符合 IEEE802.3隔离标准；因此，设计师没有选择，只能将此设备作为“异模”保护器。（注：当然，这使得驱动端保护元件成为必要，以保护系统免受共模事件损坏。）
保护 PHY 或驱动端的设备总有 I/O 引脚连接到异模线对，如图 1 所示。然而，不同于线路端保护，这种设备可以将其 GND 引脚连接到本地 GND 平面，Littelfuse 建议使用这种配置。如果没有连接 GND 引脚，则保护装置（这个例子中的 SP3050）将成为一个仅异模保护器，并可能允许损害共模事件通过松开的 PHY。此外，应该指出，即使连接GND 引脚，该设备将仍然防止异模事件，一旦电压差超过内部 TVS 加双二极管的电压降的损坏值（使用 SP3050 示例）。
至于常用 TVS 二极管阵列、5 针、VCC 的中其余引脚，Littelfuse 还建议，这应连接到本地电源，如 5V，3.3V等（注：应当心，以确保保护装置或 VRWM 的对峙电压远高于电源电压，以防止激活或打开内部 TVS 二极管。）
通过连接 SP3050的 VCC 引脚，由于电气瞬态两个独立的放电路径，如下（图 6）红色所示，设计者将更好进行夹紧设计。可以简单地将它看作一个电阻分压器，其中瞬态电流通过导向二极管，并选择了两条路，一个通过内部 TVS到 GND，一个通过电源或外部旁路电容到 GND。总而言之，第 5 脚连接到电源，将导致更好的夹紧性能，给以太网 PHY 提供更好的整体保护。
结论
使用 TVS 二极管阵列保护以太网端口时，设计者应该始终警惕需要防范的威胁。大多数情况下，威胁是异模和共模事件的结合，保护装置正确连接时，可以有效地夹紧。线路端保护元件仅局限于异模保护，但驱动程序或 PHY 端保护装置应连接到 GND 和本地电源。这将提供最好的夹紧性能，并最大限度提高以太网端口的可靠性。
