敖 奇

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

以太網(wǎng)接口已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于鐵路通信信號(hào)設(shè)備中。隨著通信速率的提高，集成芯片對(duì)靜電放電（ESD）、電纜放電（CDE）事件、浪涌等干擾變得敏感易損壞，如不加以防護(hù)，設(shè)備的可靠性將受到影響。因此應(yīng)對(duì)各種干擾的形成原因及其特點(diǎn)進(jìn)行分析，并通過(guò)對(duì)保護(hù)器件的對(duì)比選擇，以設(shè)計(jì)出合理的以太網(wǎng)接口保護(hù)電路，提高設(shè)備的可靠性。

2 干擾形式

2.1 ESD干擾

ESD即靜電放電。根據(jù)ESD來(lái)源的不同，其模型可分為人體模型（HBM）、被充電器件模型（CDM）和機(jī)器模型（MM）。對(duì)于以太網(wǎng)接口而言，ESD主要發(fā)生在操作人員接觸以太網(wǎng)接口時(shí)。人體已積累的靜電電荷會(huì)通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行泄放，從而發(fā)生ESD事件。因此以太網(wǎng)接口的ESD防護(hù)是以防人體靜電為主。

IEC61000-4-2采用的ESD人體模型為150?pF電容上積累的電荷通過(guò)330?Ω串聯(lián)電阻向外泄放。該模型放電時(shí)的電流脈沖波形如圖1所示。可以看出該波形在700?ps到1?ns內(nèi)便達(dá)到峰值，并且整個(gè)波形僅持續(xù)60?ns，因此，其能量較小但高頻威脅較大。IEC61000-4-2中關(guān)于ESD試驗(yàn)等級(jí)的劃分如表1所示，其中試驗(yàn)等級(jí)4僅在極其干燥的環(huán)境下考慮。表1中試驗(yàn)電壓包括正負(fù)兩種電壓，一般而言，在相同試驗(yàn)等級(jí)下，接觸放電對(duì)以太網(wǎng)接口的危害更大。

表1 IEC61000-4-2 ESD試驗(yàn)等級(jí)

2.2 CDE干擾

CDE現(xiàn)象在以太網(wǎng)環(huán)境中普遍存在。網(wǎng)線(xiàn)相當(dāng)于是可以存儲(chǔ)電荷的容性元件，并且其電容值會(huì)隨著網(wǎng)線(xiàn)長(zhǎng)度的變長(zhǎng)而增加。在發(fā)生摩擦效應(yīng)（如在管道中拖拉網(wǎng)線(xiàn)）或電磁感應(yīng)效應(yīng)（如被鄰近牽引電纜干擾）時(shí)，兩端懸空的以太網(wǎng)線(xiàn)（尤其是非屏蔽以太網(wǎng)線(xiàn)）會(huì)被充電。由于5類(lèi)、6類(lèi)網(wǎng)線(xiàn)具有低漏電流的特點(diǎn)，因此電荷可在網(wǎng)線(xiàn)上存儲(chǔ)數(shù)個(gè)小時(shí)到數(shù)十個(gè)小時(shí)。當(dāng)一個(gè)充了電的網(wǎng)線(xiàn)被插入到RJ-45端口時(shí)，瞬態(tài)電流會(huì)選擇最低阻抗路徑泄放，從而形成CDE事件。

以太網(wǎng)線(xiàn)具有低電阻性高容性的特點(diǎn)，因此CDE波形不同于人體模型的ESD波形。CDE波形一般具有快速上升沿，并伴隨有極性反轉(zhuǎn)的振蕩現(xiàn)象。CDE波形參數(shù)會(huì)隨著以太網(wǎng)線(xiàn)的特性（如長(zhǎng)度）及環(huán)境（溫度、濕度）的不同而改變。文獻(xiàn)[1]給出的7.6?m長(zhǎng)的5類(lèi)網(wǎng)線(xiàn)CDE波形僅持續(xù)600?ns，而另一文獻(xiàn)[2]中100?m長(zhǎng)的5類(lèi)網(wǎng)線(xiàn)CDE波形則持續(xù)達(dá)15?μs。由于網(wǎng)線(xiàn)的容性特性，線(xiàn)纜越長(zhǎng)，則振蕩頻率越低，線(xiàn)纜越短，則振蕩頻率越高。

由于CDE形成環(huán)境的復(fù)雜性及缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前還沒(méi)有任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CDE進(jìn)行建模描述，電信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）推薦采用IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)考慮CDE影響[3]。當(dāng)網(wǎng)線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)60?m時(shí)，安裝網(wǎng)線(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)額外注意CDE的影響[1]。

2.3 浪涌干擾

以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)中考慮的浪涌是以太網(wǎng)線(xiàn)受其周?chē)邏弘娎|的電磁干擾而產(chǎn)生的。由于網(wǎng)線(xiàn)高度平衡的雙絞線(xiàn)制作方法，因此僅需考慮共模干擾即可。

相對(duì)于ESD干擾而言，浪涌電壓是一個(gè)“慢信號(hào)”，其脈沖上升時(shí)間在μs量級(jí)。在相同幅值下，由于脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，浪涌的能量要比ESD大得多。IEC61000-4-5用組合波來(lái)描述浪涌脈沖，即同一發(fā)生器可以產(chǎn)生1.2/50?μs的電壓波（發(fā)生器輸出為開(kāi)路）和8/20?μs的電流波（發(fā)生器輸出為短路），如圖2、3所示。IEC61000-4-5中規(guī)定的浪涌試驗(yàn)等級(jí)如表2所示，室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境下不需做等級(jí)4試驗(yàn)。表中試驗(yàn)電壓包括正負(fù)兩種電壓。對(duì)于以太網(wǎng)這種高度平衡線(xiàn)而言，不需要做線(xiàn)—線(xiàn)試驗(yàn)（即差模試驗(yàn)）。

表2 IEC61000-4-5浪涌試驗(yàn)等級(jí)

3 保護(hù)器件對(duì)比

3.1 氣體放電管

氣體放電管一般采用陶瓷作為封裝外殼，放電管極間充滿(mǎn)電氣特性穩(wěn)定的惰性氣體。當(dāng)外加電壓增加到超過(guò)惰性氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)，兩極間的間隙將擊穿放電，由原來(lái)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，從而保護(hù)后續(xù)電路。導(dǎo)通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平上。

優(yōu)點(diǎn)：具有很強(qiáng)的電流吸收能力，即放電能力強(qiáng)、通流量大。具有很高的絕緣電阻以及很小的寄生電容，漏電流小。

缺點(diǎn)：殘壓高，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)作電壓精度較低。氣體放電管還有一個(gè)缺點(diǎn)是有續(xù)流問(wèn)題，但由于以太網(wǎng)工作電壓低（小于5?V），因此不會(huì)導(dǎo)致氣體放電管發(fā)生續(xù)流。

3.2 壓敏電阻

當(dāng)施加在壓敏電阻兩端的電壓小于箝位電壓時(shí)，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)。當(dāng)施加在壓敏電阻兩端的電壓大于箝位電壓時(shí)，壓敏電阻就會(huì)擊穿，呈現(xiàn)低阻值，甚至接近短路狀態(tài)。壓敏電阻這種被擊穿狀態(tài)是可以恢復(fù)的，當(dāng)高于箝位電壓的電壓被撤銷(xiāo)后，又可恢復(fù)高阻狀態(tài)。

優(yōu)點(diǎn)：箝位電壓范圍寬，反應(yīng)速度快，通流量大，無(wú)續(xù)流。

缺點(diǎn)：結(jié)電容較大，許多情況下不在高頻率信息傳輸中使用。該電容又與導(dǎo)線(xiàn)電容構(gòu)成一個(gè)低通，會(huì)造成信號(hào)的嚴(yán)重衰減。頻率低于30?kHz時(shí)，這種衰減可以忽略。

3.3 TVS管

瞬態(tài)抑制二極管簡(jiǎn)稱(chēng)TVS管，在規(guī)定的反向電壓作用下，TVS管兩端電壓大于箝位電壓時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流通過(guò)，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效保護(hù)末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。雙向TVS管可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈動(dòng)功率，并把電壓鉗制在預(yù)定水平。

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作時(shí)間極快，達(dá)到ps范圍。箝位電壓低。

缺點(diǎn)：電流負(fù)荷量小。根據(jù)工藝的不同，部分TVS管的結(jié)電容相當(dāng)高。

氣體放電管、壓敏電阻、TVS管的性能特點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 氣體放電管、壓敏電阻、TVS管性能特點(diǎn)對(duì)比

4 以太網(wǎng)接口保護(hù)電路設(shè)計(jì)

ESD防護(hù)對(duì)保護(hù)電路的響應(yīng)時(shí)間要求比較苛刻，保護(hù)電路至少應(yīng)在ns量級(jí)的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)對(duì)后續(xù)電路的保護(hù)。

浪涌防護(hù)對(duì)保護(hù)電路的浪涌電流吸收能力要求較高。在試驗(yàn)等級(jí)為3級(jí)時(shí)，由于試驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)阻為42?Ω，保護(hù)電路至少應(yīng)具備吸收48?A浪涌電流的能力。

CDE脈沖具有ESD的快速上升時(shí)間，TIA也推薦對(duì)其參照IEC61000-4-2進(jìn)行考慮?？紤]到CDE脈沖可能會(huì)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、能量大，因此，保護(hù)電路對(duì)CDE的浪涌電流吸收應(yīng)按照IEC61000-4-5進(jìn)行設(shè)計(jì)。盡管IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)不要求對(duì)高度平衡線(xiàn)纜進(jìn)行差模試驗(yàn)，但考慮到CDE同時(shí)具有共模、差模影響，保護(hù)電路在差模保護(hù)能力上也要達(dá)到表2要求。

保護(hù)電路必須將干擾電壓限制到10?V以?xún)?nèi)，以免對(duì)以太網(wǎng)物理芯片造成損壞。

為了避免對(duì)正常的高速通信產(chǎn)生影響，保護(hù)電路選用器件的結(jié)電容必須小于10?pF。

通過(guò)對(duì)保護(hù)器件的分析可以看出，沒(méi)有哪種單一保護(hù)器件可以勝任對(duì)以太網(wǎng)接口的防護(hù)。氣體放電管的響應(yīng)速度太慢，殘壓太大。壓敏電阻高的結(jié)電容導(dǎo)致其不可能直接并聯(lián)在以太網(wǎng)通信線(xiàn)上使用。TVS管的浪涌電流吸收能力較差，盡管好的TVS管可以達(dá)到100?A的浪涌吸收能力，但浪涌保護(hù)的裕度太小。

基于上述考慮，本文設(shè)計(jì)了圖4所示的兩級(jí)防護(hù)電路。第一級(jí)采用貼片三極氣體放電管，第二級(jí)采用低結(jié)電容的雙向TVS管。該電路可對(duì)正負(fù)極性的共模/差模干擾進(jìn)行防護(hù)。當(dāng)一個(gè)干擾脈沖通過(guò)保護(hù)電路時(shí)，TVS管會(huì)先產(chǎn)生動(dòng)作，將干擾脈沖鉗制在限定電壓范圍內(nèi)。干擾電壓進(jìn)一步增加后氣體放電管會(huì)導(dǎo)通，并吸收干擾脈沖大部分的能量。串聯(lián)電阻應(yīng)選取電阻大于2?Ω、功率大于2?W的電阻。若無(wú)此電阻，則氣體放電管無(wú)法導(dǎo)通，從而無(wú)法達(dá)到兩極防護(hù)的效果。

該電路同時(shí)具備TVS管響應(yīng)速度快、箝位電壓低的特點(diǎn)，并具備氣體放電管良好的浪涌電流吸收能力。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該保護(hù)電路可在IEC61000-4-2?等級(jí)3、IEC61000-4-5等級(jí)3試驗(yàn)條件下，保護(hù)以太網(wǎng)接口不受損壞。

5 總結(jié)

本文通過(guò)分析以太網(wǎng)接口可能受到的各種干擾的形成原因及其干擾特點(diǎn)，比較幾種常用的防護(hù)器件的特點(diǎn)，繼而設(shè)計(jì)了一種以太網(wǎng)接口ESD/浪涌保護(hù)電路。該電路可以在IEC61000-4-2等級(jí)3、IEC61000-4-5等級(jí)3試驗(yàn)規(guī)定的干擾下，保護(hù)后續(xù)電路不受損壞，從而可提高設(shè)備的可靠性。

[1] Cable Discharge Event in the Local Area Network Environment,White Paper, Intel Order Number 249812-001[S].2001.

[2] ESD Association.Cable Discharge Events（Part I）What is a CDE[S].2009.

[3] ESD Association.Cable Discharge Events（Part I）CDEs Place in Testing[S].2009.