以太网端口暴露在外部瞬态事件中，包括ESD(静电放电)、EFT(电快速瞬态)、闪电、CDE(电缆放电事件)等。外部瞬态电压抑制(TVS)二极管通常用于保护以太网PHY芯片免受这些威胁。然而，我们发现在如何最好地连接TVS二极管以获得最大效率方面存在很多困惑。一般建议将二极管连接到RJ-45连接器附近，从每条信号线到地。实际上，TVS应该通过信号对连接，并位于连接器的PHY侧。在这篇博客中，我们将分析其中的原因。
以太网接口
典型的以太网端口包括隔离变压器、共模扼流圈和端口终端，如图1所示。变压器的最低隔离额定值为1500 VRMS (2.1kV)以太网接口的IEEE 802.3标准．共模扼流圈通常与隔离变压器集成，用于减少EMI排放。以太网端口通常使用“Bob Smith”技术终止。该终端在每个信号对上使用75欧姆电阻进行共模阻抗匹配，通过高压1000pF电容器连接到底盘接地。这种终止的目的是进一步减少共模排放。
图1 -以太网接口组件©Semtech Corporation 2020
共模和差模浪涌
影响以太网端口的瞬态事件本质上可以是共模或差模。在共模浪涌期间，所有导体相对于地产生相同的瞬时电压。由于所有导体的电势相同，电流不会从一个导体流到另一个导体，而是通过设备流到地面。电流流动的常见路径是通过变压器中心抽头和鲍勃·史密斯终止电路(图2)通过导体到地面。
图2 -共模浪涌电流©Semtech Corporation 2020
在同一电缆的两个导体之间出现的浪涌被称为“差分浪涌”。在这种情况下，电流将流入差分对的一条线上的以太网端口，通过变压器并从另一条线上的端口流出。流过变压器一次绕组的瞬态电流给绕组充电，并在二次绕组上引起浪涌电流(图3)。
图3 -差模浪涌电流©Semtech Corporation 2020
设备测试标准通常规定测试浪涌是否应用于共模和/或差模。防雷浪涌等标准IEC 61000-4-5需要差振和共模浪涌试验。静电放电脉冲的应用通常是在导体和地之间IEC 61000-4-2．由于影响放电的参数的可变性，目前尚无CDE的测试标准。许多制造商已经开发了自己的测试方法，通常包括以普通模式为电缆充电并将其插入RJ-45连接器。当以太网电缆插入连接器时，可能有许多可能的接触序列。一个引脚很可能首先与后续引脚接触。所产生的放电通常处于差模，尽管在共模下充电。
共模到差模转换
在某些情况下，共模瞬态可以转换为微分模瞬态。例如，工程师通常会在每个导体与地面之间的端口的线路一侧连接高压保护组件，例如气体放电管(GDT)，以抑制雷电引起的瞬态。对于共模浪涌，理论是gtd将同时触发并将电流传导到地面。在现实中，gts永远不会在相同的电压下触发。一个GDT将首先触发，有效地接地该线路，并导致其他线路上的快速上升时间差分瞬态。
应用保护方法
现在，我们已经更好地了解了以太网端口上可能出现的浪涌类型，我们可以消除关于如何连接外部电视的困惑。从上面的讨论可以清楚地看出，连接变压器线路侧的保护装置所引起的问题比它所解决的问题要多。此外，在实践中它是不需要的。变压器隔离和终端网络提供对共模浪涌的保护。正如我们所注意到的，以太网应用中的变压器的最小隔离电压为2.1kV。在现实中，许多市售变压器实际上会在隔离被打破之前将瞬态电压保持在4-8kV范围内。终端网络的电阻和电容的选择必须使电压和电流额定值足够高，以承受ESD和EOS事件。在我们的实验室中，我们已经看到了许多实例，在浪涌测试中，终端电容器被损坏，或者电阻被破坏，因为它们太小，无法从ESD脉冲中耗散能量。
对差动浪涌的保护需要使用TVS二极管。如果没有外部保护存在，收发器输入保护被留下来吸收瞬态能量，这是由变压器转移到二次。考虑到大多数收发器具有中等的ESD保护水平，输入可能会被损坏。一个典型的保护方案，利用Semtech的RClamp®3361便士，如图4所示。每个设备通过一对线对以不同方式连接。RClamp3361P具有低触发电压和深回扣特性。这一点很重要，因为TVS与PHY片上保护是并行的。外部TVS必须箝位到片上保护的故障阈值电压以下，并限制流入PHY管脚的电流量。
图4 - RClamp3361P保护电路©Semtech Corporation 2020
将保护装置放置在磁体的PHY侧是有利的，因为变压器绕组可以减弱浪涌电流的大小和持续时间。这是因为当一次绕组中的浪涌电流增加时，变压器饱和并停止从一次绕组到二次绕组的耦合电流。衰减量将因供应商和磁性配置而异。典型的以太网变压器在发生故障之前可以承受几百安培(tp=8/20us)，但这需要通过测试来验证。
坚固的以太网保护可以通过依赖变压器的隔离特性以及位于磁PHY侧的TVS二极管实现，并连接在每个信号线对上。Semtech提供各种电视二极管，用于保护1GbE, 2.5GbE, 5GbE和10GbE端口。正确的选择将取决于以太网收发器的抗扰度要求和灵敏度。本例已成功应用于IEC 61000-4-2 ESD防护、CDE防护和500V雷电涌防(tp = 1.2/50μs, Rs = 42Ω)。
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