以太网端口容易受到外部瞬变事件的影响，包括ESD (electrostatic discharge)、EFT (electro fast transient)、闪电和CDE (cable discharge)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上存在许多困惑。常识建议将二极管连接在RJ-45连接器附近，从每个信号线到地面。实际上，电视应该通过信号对连接，并位于连接器的PHY一侧。在本博客中，我们将探讨其中的原因。
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。该变压器的最小隔离等级为1500vrms (2.1kV)IEEE 802.3以太网接口标准．共模扼流圈通常与隔离变压器集成在一起，以减少电磁干扰的排放。以太网端口通常使用“Bob Smith”技术终止。该终端使用一个75欧姆电阻在每个信号对进行共模阻抗匹配，通过高压1000pF电容器集体连接到机箱地面。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
共模和差动模浪涌
影响以太网端口的瞬态事件在本质上可以是普通模式或差异模式。在共模浪涌期间，所有导体对地产生相同的瞬时电压。由于所有的导体都具有相同的电位，所以电流不会从一个导体流向另一个导体，而是通过设备流向地面。电流流动的常见路径是通过变压器中心分接头和Bob Smith端子电路通过导体到达地面(图2)。
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称为“差浪涌”。在这种情况下，电流将通过差动对的一根线路流入以太网端口，通过变压器并通过另一根线路流出端口。流过变压器一次绕组的瞬态电流在二次绕组上产生浪涌电流(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电涌是否应用于共模和/或差模。雷击浪涌标准如IEC 61000-4-5要求差动和共模冲击试验。ESD脉冲的应用通常是在导体和接地之间IEC 61000-4-2．由于影响放电的参数的变异性，目前没有CDE的测试标准。许多制造商已经开发了自己的测试方法，通常包括在普通模式下给电缆充电，然后将其插入RJ-45连接器。当以太网电缆插入连接器时，可能会有许多可能的接触顺序。很可能一个引脚将首先与随后的其他引脚接触。尽管以共模充电，但所产生的放电通常是差模放电。
共模到差模转换
在某些情况下，共模瞬态可以转换为差模瞬态。例如，过去工程师通常在每个导体与地面之间的线路一侧连接一个高压保护组件，如气体放电管(GDT)，以抑制雷击引起的瞬变。对于共模浪涌，理论是gts将同时触发和引导电流到地。在现实中，gtd不会在相同电压下触发。一根GDT会先开火，有效地将这条线路接地导致其他线路的快速上升时间微分瞬态。
应用保护方法
现在我们已经更好地理解了以太网端口上可能出现的浪涌类型，我们可以澄清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，在变压器的线路一侧连接保护装置所带来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了对共模浪涌的保护。正如我们所指出的，以太网应用中的变压器的最小隔离电压为2.1kV。在现实中，许多商用变压器实际上会在突破隔离之前将暂态电压隔离在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例子，在浪涌测试中，终端电容被损坏，或电阻被破坏，因为它们太小，不能消散ESD脉冲的能量。
对差动电涌的保护需要使用TVS二极管。如果没有外部保护，收发端输入保护将吸收暂态能量，这些暂态能量由变压器转移到二次端。考虑到大多数收发器都能达到适度的ESD保护水平，输入很可能会被损坏。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差分连接。RClamp3361P具有低触发电压和深回跳特性。这很重要，因为TVS与PHY片上保护是并行的。外部TVS必须夹紧低于片上保护的故障阈值电压，以及限制流入PHY引脚的电流量。
图4 - RClamp3361P保护电路©Semtech Corporation 2020
将保护装置放置在磁场的PHY侧是有利的，因为浪涌电流的大小和持续时间被变压器绕组衰减。这是因为当一次绕组中的浪涌电流增加时，变压器饱和并停止一次绕组到二次绕组的耦合电流。衰减量将随磁性材料的供应商和配置而变化。一个典型的以太网变压器在故障发生前可以承受几百安培(tp=8/20us)，但这需要通过测试来验证。
可靠的以太网保护可以通过变压器的隔离特性以及位于磁性PHY侧并通过每对信号线连接的TVS二极管来实现。Semtech提供各种电视二极管，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免疫要求和灵敏度。这里的例子已成功地用于保护ESD按IEC 61000-4-2, CDE和高达500V (tp = 1.2/50μs, Rs = 42Ω)。
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