關(guān)于以太網(wǎng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)的討論

以太網(wǎng)通信在各個(gè)領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，為設(shè)備之間的互聯(lián)提供了便利的連接方案。而對功耗、速度和功能的追求，PHY 芯片的加工工藝也從65nm、45nm過渡到更先進(jìn)的制程技術(shù)，因而對PHY 應(yīng)用電路也提出更高的要求，特別是 ESD 防護(hù)、浪涌等。下面我們將就以太網(wǎng)保護(hù)電路做一些討論，希望讀者可能從中受到啟發(fā)， 設(shè)計(jì)出符合其應(yīng)用場景的方案^*。

由于以太網(wǎng)多樣性和復(fù)雜性，如入網(wǎng)設(shè)備可能是常見的交換機(jī)、路由器，也可能是網(wǎng)絡(luò)攝像頭、服務(wù)器或者其他專用設(shè)備，而網(wǎng)絡(luò)走線長度也從數(shù)十厘米到最長100米，不確定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為每個(gè)接入設(shè)備帶來了威脅，例如ESD靜電放電（Electrostatic Discharge）、CDE線纜放電（Cable Discharge）、EFT快速瞬變脈沖群（Electrical Fast Transients)）以及雷擊浪涌等。這些威脅按照其電氣信號的特點(diǎn)分為兩大類，快速上升時(shí)間事件和緩慢上升時(shí)間事件，當(dāng)然這里快速和緩慢是相對的概念，分別是納秒和微秒的區(qū)別。

圖 1 快速上升時(shí)間事件和緩慢上升時(shí)間事件

ESD、CDE和 EFT 屬于快速上升時(shí)間事件，這些事件的波形上升時(shí)間往往在納秒級別，很多在1納秒以內(nèi)。ESD 是最常見的一種，來自于接觸放電，無論是直接的接觸還是通過空氣間接接觸。ESD 有幾個(gè)模型，HBM（模擬人體接觸），MM（設(shè)備對地放電）和CDM（集成電路對接地金屬外殼放電）。人體，特別是手指接觸產(chǎn)生的靜電釋放是很多設(shè)備面臨的問題，根據(jù)環(huán)境濕度不同，有時(shí)候可以產(chǎn)生上千伏的靜電。表1 是幾種靜電產(chǎn)生情況，部分靜電的電壓可以超過一般變壓器的上限。

表 1靜電生成案例

CDE 可以認(rèn)為是靜電釋放的一種，但是又區(qū)別于ESD。根據(jù) IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)線可以長達(dá) 100米。Cat-5 或者 Cat-6 雙絞線可以視作一個(gè)電容器件，具有非常低的漏電屬性。因而在摩擦（例如機(jī)器震動(dòng)）或者互感的情況下，雙絞線上可以累積電勢。并且在插入網(wǎng)線的瞬間釋放電能。

EFT 通過是在開關(guān)或者繼電器在電弧接觸的過程中產(chǎn)生的。一般頻率在2K到5KHz 之間，脈沖群可以持續(xù)幾個(gè)十毫秒。表2 是 IEC 61000-4-4 關(guān)于 EFT 的防護(hù)等級。

表2 IEC61000-4-4 等級

浪涌和雷擊則能夠?qū)υO(shè)備造成更大的破壞，特別是有網(wǎng)絡(luò)布線暴露在戶外的。其電壓可達(dá)到6KV以上，電流 100A，并且持續(xù)時(shí)間也比上述威脅更長。當(dāng)然現(xiàn)在很多建筑物都有避雷措施，以及在入戶的時(shí)候安裝防雷、防浪涌的器件。但是對于戶外設(shè)備，過長的網(wǎng)絡(luò)走線往往會(huì)受到雷擊、閃電的干擾。

表 3 是 ITU K.20 關(guān)于雷擊的測試標(biāo)準(zhǔn)。

針對上面提到兩類事件，由于它們電氣信號的特點(diǎn)，如上升時(shí)間和電壓/電流強(qiáng)度不同，我們往往會(huì)采用不同的保護(hù)器件來應(yīng)對?？焖偕仙龝r(shí)間時(shí)間一般可以通過半導(dǎo)體元件，如 TVS實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。而緩慢上升時(shí)間事件一般其電流較大，往往會(huì)超過很多半導(dǎo)體材料的上限，因而采用陶瓷氣體放電管、抗浪涌保險(xiǎn)絲等。而在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)，更多我們使用的是共模和差模干擾概念。因?yàn)樯厦娴膸追N情況，最終都會(huì)在電路上生成共模和差模信號。如雷擊、閃電更多的為設(shè)備帶來共模干擾，其會(huì)通過互感或者提升接地面電壓給所有的雙絞線對或者設(shè)備接地造成整體的電壓上升。而 ESD或者 CDE 由于放電對象的不確定性，可以造成共?；蛘卟钅８蓴_。在有些情況下，共模干擾又會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_。所以我們會(huì)針對共模和差模干擾進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)信號特點(diǎn)選擇合適的器件。下圖是共模和差模干擾的模型。

圖 2 共模和差模干擾的模型

保護(hù)策略

在討論保護(hù)策略的時(shí)候我們需要知道電壓本身并不會(huì)引起設(shè)備或者器件的損壞，如本身帶有上千伏靜電的設(shè)備卻可以正常工作。往往是電壓引起的電流會(huì)造成破壞。因而我們將根據(jù)兩個(gè)基本的策略來實(shí)施，第一，阻止干擾信號的電流，第二，對于不可避免的電流，將其引導(dǎo)至設(shè)計(jì)的安全路徑，并確保該路徑上的所有環(huán)節(jié)都可以承受預(yù)計(jì)的電流。這對共?；蛘卟钅８蓴_都是一樣的。

共模干擾防護(hù)

變壓器作為網(wǎng)線接入設(shè)備后信號抵達(dá)的第一個(gè)器件，在共模干擾上是第一道防線。根據(jù) IEEE standard 802.3 規(guī)定變壓器需要提供 1500VRMS 的信號隔離，峰值約為2.1kV。實(shí)際上大部分編譯器往往能夠承受4kV 到 8kV 的電壓，這是抵御共模干擾的一個(gè)很有用的特點(diǎn)。但必須注意的是，標(biāo)稱 1500VRMS 的變壓器不一定都可以實(shí)現(xiàn)超額保護(hù)，這還取決于不同的生產(chǎn)廠商、批次等，最好查看對應(yīng)的技術(shù)手冊，或者采用明確可以提供更高防護(hù)等級的變壓器。

對于需要更高的防護(hù)等級，如GR974-CORE、ITU K2.8，可以在變壓器前端使用能夠承受5000V和250A電流的 TSS半導(dǎo)體放電管或者10~20kV 的GDT 陶瓷氣體放電管。如圖3 所示，并串入較小的電阻 R1和 R2，這可以是放電電流往導(dǎo)向電阻更小的通道，而不是經(jīng)過變壓器。當(dāng)然 R1/R2 在雙絞線的引入，可能會(huì)影響到以太網(wǎng)一致性測試，因此需要用戶權(quán)衡是否使用該電阻以及使用多大的電阻，其帶來的影響能否滿足需求。

圖 3 共模干擾保護(hù)

在PCB 布線時(shí)，我們也有可能忽視下面問題，過小的走線間距，EMC 設(shè)計(jì)時(shí)沒有使用足夠耐壓的原件。

圖4 中的 C1 和 R1 時(shí)為了符合802.3 EMC 標(biāo)準(zhǔn)常用的方案，稱為 Smith termination 。這里 C1 會(huì)成為抑制共模干擾的薄弱點(diǎn)。一旦干擾電壓超過C1 的最大耐壓值將其擊穿，那么電流就會(huì)進(jìn)入PHY 電路。因此需要仔細(xì)選擇合適的器件，或者在EMC 測試允許的情況下，不使用該設(shè)計(jì)。

圖 4 Smith termination

對于帶有 LED 指示燈的RJ45，在使用時(shí)也需要值得注意。LED 控制信號一般直接和 PHY 連接。需要確保LED 和 RJ45 金屬外盒有足夠的間距，如4mm以上，如果可能最好查閱其手冊是否有關(guān)于 LED 和金屬外殼之間空氣擊穿電壓的說明。并酌情對LED 的電源和控制信號添加保護(hù)，如采用TVS和光耦。

圖 5 RJ45 LED 連接

差模干擾防護(hù)

變壓器對于差模干擾信號僅相當(dāng)于1到2歐姆的等效電阻，相比于共模干擾我們需要其他的措施來防護(hù)。差模干擾一般通過變壓器耦合，在次級上產(chǎn)生電流。而變壓器次級連接的時(shí)PHY，因而直接對PHY 造成破壞。下圖是 2/10us 100A 干擾信號經(jīng)過變壓器耦合后在次級上情況。盡管由于變壓器自身達(dá)到飽和，只在次級上耦合產(chǎn)生了幅度和時(shí)間都相對初級上較小的干擾信號。根據(jù)Q=I²t 計(jì)算電流能量，在次級上至相當(dāng)于初級的 2%，但是25A， 3us 的干擾足夠損壞PHY 芯片。

圖 6 差模信號變壓器次級耦合

根據(jù)前面提到的兩個(gè)策略，我們?nèi)耘f從阻止干擾電流和將干擾電流導(dǎo)向安全路徑兩個(gè)角度出發(fā)來考慮差模干擾的防護(hù)。

為了盡可能地衰減次級耦合電流，我們首先考慮有效降低變壓器初級電路上的電流。在變壓器前端加入過流保護(hù)器件，當(dāng)電流瞬間變大時(shí)，F(xiàn)1~F4 的電阻會(huì)相應(yīng)增加從而抑制電流。

圖 7 過流保護(hù)

對于進(jìn)入變壓器次級電路的耦合電流，一般采用容抗低、響應(yīng)快的TVS 瞬態(tài)抑制管。如圖8，過高的電壓會(huì)使 D1 導(dǎo)通，將干擾電流通過 D1 釋放，避免直接沖擊 PHY。有諸多廠商提供了TVS 保護(hù)器件，用戶需要結(jié)合自己的應(yīng)用場景，從TVS 的導(dǎo)通電壓、最大電壓和功率、容抗特性以及成本方面選擇合適器件。通常在 PHY 鏈路上引入額外的組件，也有可能會(huì)以太網(wǎng)一致性測試產(chǎn)生影響。

圖 8 TVS 瞬態(tài)抑制管應(yīng)用

PoE

由于可以免去設(shè)備的單獨(dú)供電線路，在安防、工業(yè)現(xiàn)場甚至辦公室、家庭環(huán)境中都出現(xiàn)了支持 PoE 的網(wǎng)絡(luò)。然而將不支持 PoE 的設(shè)備直接接入PoE 網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)引起設(shè)備損壞，盡管標(biāo)準(zhǔn)的 PoE 供電端會(huì)帶有過流檢查。因此用戶應(yīng)該避免上述操作?；蛘咴赑CB 設(shè)計(jì)的時(shí)加入相應(yīng)的 PoE 電路，但這會(huì)帶來額外的成本，并且該功能對設(shè)備來講是非必要的。下圖是一種參考設(shè)計(jì)，可以兼容PoE 802.3af Standards A 和 B 。

圖 9 PoE 設(shè)計(jì)

總結(jié)

本文就以太網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)方面提出設(shè)計(jì)策略以及幾種應(yīng)對的設(shè)計(jì)思路，正如不同的標(biāo)準(zhǔn)中都有多個(gè)級別的防護(hù)等級，用戶需要根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用場景來選擇合適的方案，這包括PCB 設(shè)計(jì)、器件選擇、成本、信號一致性等。而以太網(wǎng)防護(hù)并不是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)，如上面提到的 Smith termination，甚至電源、信號和機(jī)殼接地等多個(gè)因素都有可能將干擾源耦合到以太網(wǎng)鏈路中。

參考：

https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics

https://www.eenewsembedded.com/blog/5-things-you-need-know-when-selecting-ethernet-magnetics/page/0/1

https://interferencetechnology.com/defending-ethernet-ports-from-electrical-transient-events/

https://incompliancemag.com/article/designing-ethernet-cable-ports-to-withstand-lightning-surges/

https://www.littelfuse.com/~/media/electronics/design_guides/esd/littelfuse_ethernet_protection_design_guide.pdf.pdf

http://www.protekdevices.com/xyz/documents/kb/tech/an1011.pdf

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/83/4f/8e/b6/5c/79/4e/bb/CD00242140.pdf/files/CD00242140.pdf/jcr:content/translations/en.CD00242140.pdf

https://www.mouser.com/pdfdocs/Semtech_Protection_Design_Telecom_Network.pdf

https://www.onsemi.cn/PowerSolutions/document/TND410-D.PDF