【应用】使用TVS二极管阵列为10GbE/1GbE和PoE设计保护解决方案

时间： 2018-07-06 来源：Littelfuse

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概述

以太网是一种标准化为IEEE 802.3的局域网（LAN）技术。如今，市场上有四种主要的有线以太网形式，还有其他类型的正在开发中。四种主要形式是:

•10Base-T（10 Mbps，基带信号，双绞线）

•100Base-T（100 Mbps，基带信号，双绞线）

•1000 Base-T或1GbE（1000 Mbps，基带信号，双绞线）

•10GbE（10 Gbps，基带信号，双绞线）

电压浪涌和过电流威胁

以太网越来越多地应用于恶劣环境的应用中，如静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)、电缆放电事件(CDE)和雷电诱发事件等。这些过压和过电流事件在不同的行业标准中有定义，例如:

•IEC 61000-4-2 ESD

•IEC 61000-4-4 EFT

•IEC 61000-4-5雷电感应浪涌

•GR-1089-CORE 6期(美国相关的NEBS合规承受能力级别)

•ITU K.20/21/45(全球合规建议)

•IEEE 802.3(以太网要求)

•UL/EN/IEC 60950-1安全标准

注：这些不同标准的全面总结可以在SIDACtor目录的法规要求部分找到。

10GbE和1GbE版本的以太网对任何额外的线路负载都非常敏感；因此，必须仔细考虑任何保护组件和电路，以避免降低以太网固有的高数据速率和100米范围的能力。

LITTELFUSE的解决方案

Littelfuse SP4044和SP4045系列TVS（瞬态电压抑制器）二极管阵列（图一）为电路设计人员提供采用小型SMT（表面贴装技术）MSOP-10封装的10GbE或1GbE接口过压解决方案。这些器件结合了低断态电容负载和低动态电阻的优势以及强大的浪涌额定值。低关断状态电容可最大限度地减少对信号的负面影响，低动态电阻提供优于其他工业保护解决方案的钳位值，并且稳健的浪涌额定值提供符合大多数全球浪涌电阻率标准的三级保护解决方案。

图一 Littelfuse SP4044&SP4045系列TVS二极管阵列

SP4044-04ATG(以太网PHY电压参考≤2.8V)和SP4045-04ATG(以太网PHY电压参考≤3.3V)均提供不需要“短截线”连接的通流解决方案。这简化了PCB布局过程，并减少了与PCB迹线短截线相关的EMI关注点。跟踪短截线可能导致线路平衡问题，这可能导致更高的能量辐射，并可能导致应用超过可接受的EMI辐射水平。这些PCB走线短截线还可能导致信号反射，对原始信号产生负面影响，从而降低数据传输速率和范围。这些短截线可以通过在保护元件和受保护电路之间增加另一个电压降来降低电路保护元件的有效性。

这两个过压保护元件的偏置电容为1.5pF，浪涌额定值为24A，基于8/20μs浪涌电流波形（图二）。该关态电容与10GbE和1GbE基带信号兼容，并且不会引起“眼”图（图三）关闭。表征保护负载对以太网信号完整性的影响的一种方法是进行眼图测试。该测试涉及重复采样数字信号并在示波器上显示所得的眼图。掩模通常用于定义可接受的信号质量和依从性，如下图所示。该“眼图”是一种测量以太网信号完整性的方法。

图二电流浪涌波形

图三眼图

图4 以太网兼容的保护解决方案PHY电压≤3.3V，使用两个SP4045-04ATG TVS二极管阵列

图4说明了一个全面的解决方案，它符合电压浪涌威胁部分中列出的标准。在示意图的右侧，在以太网PHY（物理层设备）附近，有两个SP4045-04ATG钳位组件。这两个流通组件是必需的，因为10GbE和1GbE版本的以太网使用CAT5e的所有八条线。变压器由于其饱和特性和绕组间电容参数而限制了任何浪涌能量的耦合，从而提供了第一级保护。任何浪涌能量管理通过变压器屏障是由SP4045-04ATG钳位，确保敏感以太网PHY IC的保护。（如果以太网PHY电压小于2.8V，SP4044-04ATG可以替代SP4045-04ATG）。

最佳实践将要求采用与Vcc以太网PHY电压水平尽可能接近(或大于)的钳位元件。SP4044-04ATG/SP4045-04ATG TVS二极管阵列（0.220Ω/0.3Ω）的低动态电阻额定值提供了优于其他工业保护元件的钳位动作，并确保对以太网PHY的高效保护。这些TVS二极管阵列为以太网PHY提供差分保护和共模保护。TVS地面基准必须与以太网PHY接地基准相同。

对于一个全面的以太网解决方案，设计者经常会看到对以太网供电（POE）保护和过电流安全保护的需求。中心抽头连接提供了交付和接收PoE的手段。SMDJ58CA是用于这些中心抽头连接的双向TVS二极管，因此不需要额外的极性保护（二极管桥）。对于较低的浪涌耐受能力和稍低的成本，也可以考虑SMAJ58CA、SMBJ58CA或SMCJ58CA。因为模式类型是已知的，所以电源设备（PSE）端将只需要一个双向TVS二极管。然而，动力装置（PD）端必须同时保护模式A和模式B PoE(也称为备用A和备用B)，因此需要两个双向TVS组件。如果PoE没有被实现，那么两个100nF电容器和两个SMDJ58CA组件可以被消除。

04611.25 TeleLink保险丝(F1-F8)提供过电流保护，符合GR-1089第6期UL/EN/IEC 60950-1，以及ITU K20/21/45的基本和增强级别。对于10GbE和1GbE链路，建议在每根导线上都安装TeleLink熔断器，而不是在每对数据上安装一个熔断器。这有助于在这些高速接口上保持线路平衡。熔断器有一个固有的电感值:因此，必须在每根导线上放置一个保险丝，以保持每个线对的差动平衡。

本应用说明中介绍了一个完整的以太网接口保护解决方案。本应用领域须知:

1)雷电

2) ESD

3) CDE

4) EFT

5)电力故障事件

本应用说明最初主要解决以太网数据接口的ESD/EFT/CDE/雷击浪涌曝光问题，提供了低容量钳位TVS二极管阵列解决方案(SP4044-04/SP4045-04)。然后对中心抽头连接的POE接口进行了检查，以确定潜在的暴露情况，并提供了DO214 SMT SMXJ58CA和SMxJ58A解决方案。最后，通过提供TeleLink保险丝来解决当前的安全问题，该保险丝在发生电源故障时保护双绞线。Littelfuse具有全球范围的实验室测试能力，可以帮助客户设计符合全球标准、法规和建议的适当保护解决方案。

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