電子產品的威脅及乙太網路的保護

研發工程師通常使用TVS二極管陣列以提供對乙太網介面的保護。

電路板端研發工程師通常使用TVS二極管陣列以提供對乙太網端口的保護。在許多情況下，設計人員使用保護器去維護設備的可靠性，以對抗包括：Lighting Induced Surges、ESD (Electrostatic Discharge)、EFT(Electrical Fast Transient)及CDE(Cable Discharge Event)在內的4種主要威脅。

去瞭解上述威脅事件的本質與「方向性」，將有助於引導工程師如何對乙太網端口做最佳的保護，更重要的是元件的腳位連接對影響系統性能會是如何。所提供的資料在下面的章節中，將參考圖1，以協助說明相關問題。

Lightning Induced Surges

根據不同標準或法規的規定(評估設備抗擾度標準如IEC61000-4-5、GR-1089、ITU)，雷擊浪湧可以分為差動或共模2種測試模式並有不同的波形。在差動模式下，1對絞線(Pair)的2個導體或接腳(即J1和J2)連接到測試設備測試端的正負極之間，測試的能量進到RJ-45端口，並只出現在這2個導體之間(見圖2)。測試的主要能量將會消散在接線端保護元件，如(圖1)所顯示為Littelfuse的SP03系列(半導體的保護矩陣)，但一些能量也會藉由變壓器的傳輸，而在變壓器的驅動器端(or PHY Side)產生出差動的事件，如此例(圖1)中的TX+和TX-數據線。

共模測試是測試個別的導線或所有數據線對GND的測試。測試設備的正極連接到所有的導體或接腳(即J1，J2，J3和J6)，負極將連接到GND(見圖2)。假設線路的阻抗是完全匹配的，在這種情況下，很少的能量會消耗在SP03。大部分的能量會透過變壓器磁性元件的電容耦合，到變壓器驅動器端，而在乙太網的PHY元件上產生出1個共模事件。

Electrostatic Discharge (ESD)

評估設備ESD抗擾度(符合IEC61000-4-2標準)，可經由接觸或空氣進行放電。有許多方法來打ESD能量，但在所有情況下，可將ESD脈衝的出現，視同對電路共模事件，參考對GND的能量釋放。

Electrical Fast Transient (EFT)

檢驗設備的EFT抗擾度(符合IEC61000-4-4標準)與雷擊浪湧的共模測試非常相似。在較典型的配置如圖3所示，所有的導體(或接腳)都被電容耦合到測試產生器的正端，另一端則是「浪湧」到GND。如果數據線有很好的平衡，則在絞線(Pairs)之間幾乎沒有任何能量的差別，但變壓器的電容耦合將轉移共模的能量到驅動器側，儘管已減少很多。

Cable Discharge Event (CDE)

CDE是另一種現象，應該與靜電放電(ESD)有所區別並分開考慮。雙絞線電纜的特性和應用環境的了解，在對CDE的考量中扮演著重要角色。經常變化的電纜環境也增加了預防CDE損害的挑戰。系統設計師可以透過良好的線路布局及慎選零組件來達到最大限度地保護，而防止CDE事件的發生。在IEEE 802.3標準要求絕緣電壓為2,250伏直流和1,500伏交流，以防止可能因高電壓產生的CDE而造成的連接器故障。為了避免在這些事件中的電弧，這些絕緣的規定適用於在RJ-45連接器，如同變壓器的絕緣。為了防止電介質崩潰和電路板上的跳火，印刷電路板接線側和內部線路的地之間應有足夠的漏電距離，佈線之間要有足夠間隙。實驗室測試結果顯示，瞬時要能承受2,000V的電壓，在FR4電路板佈線間距應有至少250密爾的間距(來源：http://www.national.com)。UTP電纜放電事件可以高達幾千伏，非常具有破壞性。電荷積累來自兩個主要來源：摩擦電和電磁感應的效果。

這些影響可能來自拉扯聚氯乙烯覆蓋 CAT5 UTP電纜上的尼龍布，可導致電荷在電纜上建立。類似的方式，電荷也可能建立在1個電纜上，例如當電纜在管道被拉扯或與其他網路電纜摩擦時。此類似人腳在地毯上摩擦所產生的電荷，電荷建立發生在電纜無端點時，電荷不會立即消散(即電纜兩端都沒有插入到系統裡)。此外，累加的電荷必須被保留，才能導致重大損害。新的CAT5和CAT6電纜具有非常低的介質洩漏，往往會保留電荷很長一段時間，相對濕度較低的環境又會使得電荷停留的時間變長。當帶電UTP電纜插入1個RJ-45網路端，有很多可能的放電路徑。突波電流會走最低電感路徑，這個路徑可能是RJ-45接點、印刷電路板(PCB)走線(Trace)之間、穿過在變壓器裏的史密斯AC終端電阻(75Ω)，或通過半導體零件。根據電纜的長度，累計充電可百倍於1個典型的ESD模型電荷。

這隨之而來的高能量放電會損壞連接器、變壓器的電路或乙太網收發器。雙絞線電纜就如同1個電容器儲存電荷，研究證實，幾百伏充電可以積累在沒有終端的雙絞線電纜。另外，1個完全放電電纜1小時內就可以建立其一半的潛在電荷。一旦充電，好的電纜可以保留它的大部分電荷超過 24小時。不同長度的CAT5電纜可充電時間的推算如圖4所示。由於較長的電纜有更多容量來存儲電荷，當電纜長度超過60米時，系統應採取額外的CDE預防措施。

另一個重要因素是對CDE的波形理解，因為它不同於任何威脅，如先前討論可以是差分或共模取決於耦合機制。此外，初步研究顯示，在特性上可以有較大的變化，但總體而言，CDE的波形具有較高的能量並呈現在電壓和電流推力。波形是分布在數百奈秒的時間快速極性反轉。下面的圖5顯示經過被充電到1.5KV的25英呎雙絞線電纜，在乙太網PHY發射端接腳的1個具有破壞性的CDE波形。請看最下方的差動波形，在600ns的期間，正負壓有64.8V的變化。在這個實驗中，PHY的發射器被破壞，無法傳輸數據封包到網路上。

從電路設計人員的角度來看，乙太網系統的設計和佈線注意CDE的重點應放在對IC破壞能量的轉移。系統設計考慮包括增設TVS二極管陣列(SPA)和耦合變壓器本身。變壓器電路將有助於防止共模突波，但高能量突波應該有路徑到地(GND)。

電路保護裝置最佳化設計

任何接線側(Line Side)的保護器(此例中為SP03)不能有其GND接腳(2，3，6，7)連接到GND，以符合IEEE802.3隔離標準，因此，設計者只得採用「僅差動」(differential only)保護器。(註：當然，這就必須有1個驅動側(Drive Side)的保護元件，以防止共模事件。)

該元件保護 PHY或驅動側總有I/O接腳連接到差動對，如圖1。然而不同線路側保護器，此元件可以有它的GND接腳連接到GND層，且Littelfuse建議這樣的配置。如果GND接腳沒有連接，保護裝置(此例中為SP3050)將成為僅差動保護裝置，將無法箝制破壞性的共模突波而導致能量直接衝擊到PHY。此外，儘管GND接腳接地，此裝置仍可保護差動事件，當壓差超過內部TVS崩潰電壓加上二極體順偏(使用SP3050的例子)時。至於有一接腳常見在TVS二極管陣列，第5腳，V_CC，Littelfuse也建議，連接到電源，如5V， 3.3V等(注意確認，保護器的對峙(Standoff)電壓或VRWM，須高於電源電壓，以防止觸發或打開內部TVS。)由於連接在SP3050 V_CC接腳， 電氣突波將通過兩個獨立的放電路徑以紅色顯示如下(圖6)，設計者將獲得整體更好的箝制。可以簡單看作是突波進入1個電阻分壓器，經由二極體的兩個途徑：一是通過內部TVS接地，一至電源或通過外部旁路電容接地。總而言之，連接接腳5到電源將產生更好的箝位性能，提供整體更好的乙太網PHY防護。

另一個好處是偏壓V_CC接腳，與不接相比，會有較低I/O對地的電容。零件規格書應提供給設計者V_CC的偏壓對電容的關係，以利保護乙太PHY的設計，圖7為參考SP3050。

當使用TVS陣列保護1個乙太網端口，設計者應該始終對威脅保持警覺，做出保護與預防。在幾乎所有情況下，威脅是差動和共模事件的組合，當保護裝置正確連接，可以有效地箝制。接線側保護元件被限於差動保護，但驅動或PHY側保護裝置應連接到GND，本地電源。這將提供最好的箝制性能和最大的乙太網端口可靠性。(本文由美商Littelfuse提供，陳昌博整理)