网口的ESD防护应用分析
网口静电是许多做工控的工程师很头疼的一个问题。在工业类产品中，静电又是一个比较通用测试项目，在机壳或者网口位置，就会经常出现机器死机，重启甚至损坏的情况。由于静电电压高，上升时间快，一般不加保护器件的情况下，是很难解决，因此静电防护成了困扰工程的一个亟待解决的大问题。
网络端口的静电防护，通常有10M，100M，1G，10Gbps等类型的网络端口，工业类常用的端口为10/100Mbps端口，本文主要介绍就是此端口的静电防护。
静电释放（ESD）是一种共模电气事件，并且是通过电气路径，从一个元件到另一个元件的放电现象，最后以外壳接地结束。清楚地确定电流路径，并确保其对敏感电路不会造成损害是一项很重要的设计指南。对于解决静电释放更好的选择就是为放电电流提供一个可替代的放电路径，以绕过该敏感电路。
我们团队去年设计了一款带8网口的串口服务器(此串口服务器需要在进行工业四级测试时无数据包丢失)，在对其进行静电测试时，每每用静电枪打网口位置服务器就会出现重启。这个问题困扰我们团队半个多月。鉴于LITTELFUSE在反向抑制二极管产品上的种类极多，用于ESD防护系列的产品也很齐全且满足IEC61000-4-2要求，无论是接触放电还是非接触式放电的产品电压等级都具有业内较高的水平。全系列都通过了全球范围内的安全认证，在接口保护方面应用得非常广泛。于是，在串口服务器改版的电路中我们便计划试用Littelfuse的TVS管SP3002。
SP3002是体积较小，性价较高的静电二极管阵列。SP3002的性能参数优异，具有超低的结电容，且只有0.85pF，可以应用在百兆、千兆网口上，钳位电压仅有6V。SP3002的具体参数如图1。
图1：SP3002具体参数
在改版设计中，将SP3002并联在网络变压与PHY芯片之间，具体应用图见图2，此电路为共模接法。当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响线路正常工作；当电路出现异常过压并达到其击穿电压时，它迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而起到保护IC或线路的作用；当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。
图2：SP3002的具体应用图
图2改版电路的具体工作原理如下：静电首先要经过可靠地机壳防护，大部分通过机壳泄放到大地，然后经过第一级大功率器件防护，第一级对浪涌有很大的防护作用，第二级网络变压器的防护对浪涌，静电有一定的隔离作用，残余的静电主要靠第三级TVS防护，即应用了SP3002的ESD防护电路部分，能够很好的解决。如果对差模要求很高，采用差模加两个共模芯片组成的系统会更加强劲，但据笔者使用发现加上SP3002已能够很好的解决静电问题，甚至能够满足工业四级的应用。
ESD防护电路图设计如图3所示。在RD8n/p，TD8n/p上并联对地接上SP3002 EDS的防护器件，在P8REF对大地接上大功率防护器件有效抑制大能量的干扰，通过T1网络变压器HX1234后，最后通过SP3002有效的防护静电干扰。
图3：ESD防护电路图
在新的板子设计完成后，重新进行ESD测试，重启问题再没有出现，后来进行数据通信测试ESD，数据也无丢失的现象。
经过测试发现，SP3002能够有效的应对8KV接触，15KV空气放电干扰，除了静电外，此芯片还能有效的抑制EFT干扰，特别对网口施加EFT干扰。
除了好的静电防护器件为，在设计10/100M网络端口的静电防护的情况下，要特别注意RJ45端口与接口接触良好，网络变压器初次级都必须完全隔离，网络变压器下面不能走线，铜皮必须去掉。在优良的电路设计中加上Littelfuse优异的保护器件，我相信，以后网口的静电再也不是工程师的难题。由于SP3002的成本比较合理，因此在工业设计中网口静电防护价格也是可以接受的。
参考资料：
静电的国际标准为IEC61000-4-2，行业标准也是依据这个标准而来，其实静电又分为空气放电和接触放电，IEC61000-4-2标准针对被测设备安装与环境条件，将考核要求分成不同的严酷等级，凡等级高的设备可以用在等级低的场合，反之则不可以。静电放电的严酷等级表见表1。
表1：静电放电的严酷等级表
试验的严酷等级应该根据最符合实际安装与环境条件来加以选择。表2是几种推荐的严酷等级情况。
表2：几种推荐的严酷等级情况
IEC61000-4-2静电抗扰度测试仪的电流波形与被测设备本身的因素有很大的关系。为了能对静电抗扰度测试仪的特性作出判断，一遍使测试仪的测试结果有一定的重复性、对比性和可能性，有必要对测试仪器的输出特性进行一定的校验。
放电电流、电压关系见表3。
表3：放电电流、电压关系
放电的电流波形必须满足图4的要求。
图4：静电放电电流波形
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测试等级：空气放电30KV±5%；接触放电30KV±5%，适用标准：GB/T 17626.2、IEC61000-4-2、ISO10605、GB/T 19951；给用户产品出电路保护设计方案建议及整改。点击预约，支持到场/视频直播测试，资深专家全程指导。
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