Fyzická vrstva (PHY) obsahuje izolační transformátor, který poskytuje základní stupeň ochrany. Diody pro potlačení přechodového napětí (TVS),  známé také jako transily,  jsou osvědčeným, levným a robustním řešením na ochranu obvodů ethernetových aplikacích. Elektronické zařízení musí být vybaveno ochranou všech komunikačních cest před rázovými proudy až do velikosti 40 A a vůči elektrostatickému výboji ESD až do 30 kV. Zároveň tyto ochrany nesmí mít negativní vliv na komunikaci při normálním použití, aby byla zajištěna integrita vysokorychlostního signálu.

Tento článek popisuje konstrukční problémy, které představují vysokonapěťové přechodové jevy a poté se zaměří na jednotlivé charakteristiky TVS diod, které se používají právě pro potlačení nežádoucí energie. Výběr správné TVS diody není lehkým úkolem, jelikož musí splňovat normy IEC 61000-4-2, -4 a -5.

Nebezpečí způsobené přechodným napětím

Ethernetový kabel GbE je nejen komunikačním datovým médiem ale také dokonalým transportním médiem pro vysoká přechodná napětí a ESD, které by mohly poškodit prvky křemíkového obvodu (obrázek 1).

Obrázek 1: Bez ochrany mohou být ethernetové obvody zničeny vysokými přechodovými napětími a ESD. (Zdroj obrázku: Semtech )

Ethernetové obvody mají základní stupeň ochrany díky izolačnímu transformátoru. Specifikace IEEE 802.3 vyžaduje minimální izolační hodnotu 2,1 kV. Běžně dostupné transformátory nabízí izolaci 4 až 8 kV. Ethernetové rozhraní obvykle obsahují tlumivku (Commom Mode - CMC), která slouží k blokování vysokofrekvenčního střídavého proudu, aby se eliminovaly špičky ESD. Poslední ochranou je tzv. „Bob Smith“ zakončení o hodnotě 75 Ω. Tato hodnota odpovídá impedanci v běžném režimu pro signálové páry společně připojené přes kondenzátor k zemi. (obrázek 2).

Obrázek 2: Fyzická ethernetová vrstva obsahuje určitou vestavěnou ochranu proti přechodným napětím, včetně izolačního transformátoru, tlumivky v běžném režimu a zakončovacího rezistoru. (Zdroj obrázku: Semtech)

Pouhé spoléhání se izolační transformátor, tlumivku a ukončovací obvod jako komplexní ochranu je velké riziko. Výkyvy přechodného napětí lze v podstatě rozdělit na dvě kategorie - společný nebo diferenciální režim. Během napěťové špičky v běžném režimu se ve stejný okamžik objeví stejně vysoké napětí na všech vodičích. Protože všechny vodiče mají stejný potenciál, nedochází k přenosu proudu mezi jednotlivými vodiči. Místo toho proud protéká do země. Společná cesta pro tok proudu je přes střední odbočku oddělovacího transformátoru a přes zakončovací obvod k zemi (obrázek 3).

Obrázek 3: Proud vysokého přechodového napětí v běžném režimu protéká konektorem RJ-45 přes střední odbočku oddělovacího transformátoru k zemi. (Zdroj obrázku: Semtech)

Přepětí v diferenciálním režimu je ale jiné. Proud teče do ethernetového portu na jednom signálovém vedení diferenciálního páru přes transformátor a zpět ven z portu na druhém signálním vedení. Přechodový proud protékající primárním vinutím transformátoru indukuje proudový ráz v sekundárním vinutí. Jakmile přepětí odezní, energie uložená v transformátoru se přenese do místa, kde se nachází citlivé ethernetové obvody. Právě tato přenesená energie má v nejlepším případě za následek ztrátu dat, ale v nejhorším případě vede k trvalému poškození citlivých obvodů (obrázek 4).

Obrázek 4: Přepětí v diferenciálním režimu indukuje proud přes oddělovací transformátor, který může poškodit citlivé elektronické obvody. (Zdroj obrázku: Semtech)

Obrázek 4 ukazuje, že přepětí v diferenciálním režimu je nejnebezpečnější, protože vystavuje citlivé ethernetové obvody fyzické vrstvy potenciálně škodlivým úrovním napětím. Na sekundární straně oddělovacího transformátoru je nutná dodatečná ochrana pro ochranu před těmito přepětími.

Použití TVS diody jako přepěťová ochrana

Ochrana fyzické vrstvy vyžaduje prvek, který dokáže izolovat, blokovat nebo potlačit velké přechodné energetické pulsy. Přidání dodatečného transformátoru sice získáme plnou izolaci elektronických obvodů Ethernetu, ale toto řešení e objemné a drahé. Pojistky jsou sice levným způsobem blokování, ale musí se resetovat nebo se musí vyměnit po každém vybavení.

TVS diody jsou proto dobrým kompromisem. Účinně potlačují špičkové přechodové napětí na bezpečnou úroveň, nevyžadují resetování, jsou kompaktní a jejich cena je bezkonkurenční. Struktura TVS diody je speciálně navržena tak, aby absorbovala vysoké přechodové proudy a napětí.  Voltampérová charakteristika TVS diody je podobná zenerově diodě, s tím rozdílem, že jejich vlastnosti se využívá pro potlačení napětí než pro regulaci napětí. Klíčovou výhodou TVS diody je její rychlá odezva (obvykle v nanosekundách) na elektrické přechodové jevy. Bezpečně odvádí energii přechodového jevu do země při zachování konstantního „upínacího“ napětí ve srovnání s jinými ochranami (obrázek 5).

Obrázek 5: TVS dioda poskytuje nízkoimpedanční cestu k zemi pro přechodná napětí nad prahovou úrovní. V důsledku toho je chráněný obvod vystaven pouze bezpečnému napětí. (Zdroj obrázku: Semtech)

Při normálním provozu má TVS dioda vysokou impedanci až do svého pracovního napětí (V_RWM ). Když napětí na svorkách překročí průrazné napětí (V_BR ) dojde k lavinovému průrazu v přechodu diody, a to způsobí její přepnutí do zapnutého stavu s nízkou impedancí (anglicky se tento skok nazývá „snap-back“). Tím dojde ke snížení napětí Vc v momentě, kdy protéká přechodový špičkový pulzní proud I_PP. Jakmile proud klesne pod přídržný proud I_H , dioda TVS se vrátí do vysokoimpedančně vypnutého stavu (obrázek 6 a tabulka 1).

Obrázek 6: Provozní charakteristika TVS diody. Při průrazném napětí se součástka přepne do nízkoimpedančního stavu a sníží napětí na bezpečnou úroveň. (Zdroj obrázku: Semtech)

Tabulka 1: Definice parametrů pro obrázek 6. (Zdroj tabulky: Semtech)

Diody TVS od renomovaných výrobců jsou navrženy tak, aby chránily rozhraní a zároveň splňovaly přísné normy odolnosti podrobně popsané v dokumentech IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) a IEC 61000-4-5 (lightning) .

IEC 61000-4-5 specifikuje, jak testovat odolnost proti rázům, poskytuje podrobnosti o typickém průběhu rázové vlny používané k určení vlastnosti diody TVS. Tvar vlny simuluje nepřímý dopad a dosáhne 90 procent své špičkové hodnoty proudu (tp) za 8 mikrosekund (µs) a klesne na 50 procent své maximální hodnoty za 20 µs. Datové listy to často označují jako „křivku 8/20 µs“ a poskytují podrobnosti o maximálním špičkovém pulzním proudu (IPP), kterému může ochranné zařízení odolat. Datové listy také obvykle podrobně popisují odezvu produktu na přidruženou vlnovou křivku napěťového rázu způsobenou nepřímým dopadem osvětlení 1,2/50 µs (přechodné rázové vlny dosahující svého špičkového napětí za 1,2 µs a klesající na 50 procent své maximální hodnoty za 50 µs).

Další klíčovou ochrannou charakteristikou diody TVS je její „odolné napětí proti ESD“. Toto je maximální výbojové napětí statické elektřiny, které může ochranné zařízení tolerovat bez poškození a obvykle se pohybuje v řádu desítek kV.

Diody TVS pro ochranu ethernetových obvodů

Kromě ethernetu se TVS diody používají i pro ochranu řady rozhraní jako je HDMI, USB Type-C, RS-485 nebo DisplayPort. Každé z těchto rozhraní však vyžaduje nepatrně odlišné napěťové úrovně. Proto je důležité, aby byla TVS dioda navržena pro konkrétní aplikaci. Semtech nabízí řadu TVS diod zaměřených přímo na ochranu ethernetového rozhraní. Diody mají vykazují velmi malý svodový proud a malou kapacitu. Další výhodou je velmi nízké provozní napětí, a to od 3,3 do 5 V.

Řada RailClamp obsahuje TVS diodu RCLAMP0512TQTCT je vhodná pro ochranu rozhraní 2,5 Gb Ethernetu. Diodu lze použít až do špičkové hodnoty nárazového proudu I_PP 20 A (tp = 8/20 a 1,2/50 µs) a špičkového výkonu P_PK 170 W. Dioda je vhodná jak ochrana ESD až do +/-30 kV. Napětí V_BR je 9,2 V, proud I_H 150 mA a napětí V_C 5 V (max. 8,5 V)(obrázek 7).

Obrázek 7: Charakteristika upínacího napětí RCLAMP0512TQTCT, když je dioda vystavena 1,2/50 µs napětí a 8/20 µs proudovému rázu s vrcholem 20 A. Po krátkodobé špičce se upínací napětí ustálí pod 5 V, a tím dojde k efektivní ochraně ethernetových obvodů. (Zdroj obrázku: Semtech)

Dioda RCLAMP0512TQ je umístěna do 3 pinovém pouzdra SGP1006N3T s rozměry 1,0 x 0,6 x 0,4 mm. V řadě Semtech RailClamp jsou diody, které nabízejí větší ochranu pro 1Gb Ethernetové aplikace používané v potenciálně nebezpečných situacích. RCLAMP3374N.TCT je vhodná pro aplikace s nárazovým proudem I_PP 40 A (tp = 8/20 a 1,2/50 µs) a P_PK 1kW. ESD ochrana do +/-30 kV. V_C je 25 V při I_PP = 40 A. Velikost pouzdra je 3,0 x 2,0 x 0,60 mm. Dioda střední třídy v řadě RailClamp je RCLAMP3354S.TCT. Ta je vhodná pro ochranu 1 Gb Ethenetu pro nárazové proudy max I_PP 25 A (tp = 8/20 a 1,2/50 µs) a P_PK 400 wattů. Ochrana ESD je také +/-30 kV. V_C je 16 V při I_PP = 25 A.

Návrh zapojení s ochrannými TVS diodami

Na obrázku 8 je schéma zapojení ochrany ethernetového rozhraní pomocí RCLAMP0512TQTCT. Diody jsou umístěny na straně transformátoru blíže k ethernetovým obvodům, aby byly chráněny před přepětím v diferenciálním režimu, přičemž na každém páru ethernetové linky je umístěna jedna dioda. Diferenciální páry jsou vedeny přes každou TVS diodu na pinech 1 a 2, přičemž pin 3 není připojen.

Obrázek 8: Ochranné TVS diody jsou umístěny na každém diferenciálním páru. (Zdroj obrázku: Semtech)

Doporučuje se umístit diodu co neblíže transformátoru, aby se omezila parazitní indukčnost. Připojení k zemi je vhodné provést přímo pomocí průchodu do zemní roviny. Snížení parazitní indukčnosti je zvláště důležité pro potlačení rychlých přechodových jevů. Indukčnost v cestě ochranné diody zvyšuje napětí V_C. V_C je úměrné parazitní indukčnosti krát rychlost změny proudu. Například indukčnost 1 nH může zvýšit špičkovou hodnotu napětí V_C o 30 V pro 30 A ESD pulz s dobou náběhu 1 ns.

Závěr

Ethernet je spolehlivý a rozšířený vysokorychlostní komunikační systém, kde může dojít na jeho vodičích k energetickým výkyvům v důsledku přepěťových impulsů způsobených bleskem nebo ESD. Takové rázy jsou do určité míry zmírněny transformátorem, tlumivkou a ukončovacím obvodem, ale v diferenciálním režimu tato ochrana není dostatečná. Pro kritické systémy se doporučuje dodatečná ochrana v podobě TVS diody, které účinně potlačují špičkové přechodové napětí na bezpečnou úroveň.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com