如何設計導入 TVS 二極體以免 Gigabit 乙太網路受到電壓和電流暫態的影響

Gigabit 乙太網路 (GbE) 是一種強大的高速通訊系統，廣泛用於家庭、商業和工業場所。然而，乙太網路系統確實存在挑戰，特別是連接超出建築物之外時。延長線路可能會意外受到高位準的暫態電壓和電流影響，也需持續承受靜電放電 (ESD) 的風險。

GbE 實體層 (PHY) 內含一些元件可提供一定程度的保護，例如隔離變壓器。但是，不能在各種情況下都依賴內建的暫態電壓緩解功能提供防護。

暫態電壓抑制 (TVS) 二極體是一種經過驗證、價格低廉且堅固的電路保護裝置，可用於 GbE 等空間和成本受限的應用。在正常操作下，裝置看起來呈現透明。然而，這些裝置必須保護多個通訊通道，以免受到高達 40 A 突波電流和高達 30 kV ESD 的影響，並在正常使用時維持低負載電容值，以確保高速訊號完整性。

本文將介紹 GbE 高壓暫態和 ESD 保護帶來的設計難題，也會針對能量抑制所需的 TVS 二極體，考量其獨特的特性。接著會介紹克服此難題的一些商業解決方案，再展示如何將選定的裝置設計到系統中，以符合 IEC 61000-4-2、-4 和 -5 等標準的暫態保護要求。

暫態電壓效應構成的危險

GbE 是一種有線的高速通訊系統。銅纜連接可承載差動訊號，以代表「0」和「1」的訊號構成數位訊號流。然而，銅纜也是高暫態電壓和 ESD 事件的完美傳輸媒介，可能會破壞矽電路元件 (圖 1)。

圖 1：如果沒有保護，GbE PHY 可能會遭到高暫態電壓和 ESD 破壞。(圖片來源： Semtech)

GbE PHY 的設計可透過隔離變壓器提供一定程度的保護。GbE 規範 (IEEE 802.3) 要求的最小隔離額定值為 2.1 kV。大多數商用變壓器提供 4 至 8 kV 隔離。此外，GbE 介面通常含有一個共模扼流圈 (CMC)，此電感可用來阻斷更高頻率的 AC 以協助降低 ESD 尖波。最後一道保護來自 Bob Smith 端接法。會使用一個 75 Ω 的電阻來實作共模阻抗，以匹配透過電容一起接至接地的訊號對。端接有助於減少共模輻射，這在之後會說明 (圖 2)。

圖 2：GbE 實體層包括一些針對暫態電壓的內建防護，包括隔離變壓器、共模扼流圈和電阻端接電路。(圖片來源：Semtech)

僅僅依靠 GbE PHY 隔離變壓器、CMC 和端接電路提供全面防護是有風險的。雖然這些元件提供一些暫態電壓的緩解，但還是有些情況會讓連接埠受損。

GbE 暫態電壓的偏移在本質上可分為共模或差模。在共模電壓暫態期間，所有的 GbE PHY 導線會立即上升至相對接地相同的電壓。由於所有導線都處於相同的電位，因此導線之間不會有電流轉移，而是流到地面。電流的常見路徑是從導線到接地，這中間會透過變壓器中心分接頭以及端接電路。

圖 3：高暫態電壓共模電流透過隔離變壓器中心分接頭流經 RJ-45 連接器到接地。(圖片來源：Semtech)

差模突波則有所不同。電流會以差動對的一條訊號線流入 GbE 連接埠，接著流經變壓器，再從另一條訊號線從連接埠流出。流經變壓器一次繞組的暫態電流會在二次繞組中引發電流突波。一旦突波消除，變壓器中儲存的能量會轉移到脆弱的 GbE PHY 所在之處。這種能量轉移最輕會導致資料遺失與故障，但最糟時，則會引起永久受損 (圖 4)。

圖 4：差模突波在隔離變壓器上引發電流，可能會破壞敏感的電子電路。(圖片來源：Semtech)

圖 4 顯示，差模突波是最危險的，因為會讓 GbE PHY 暴露在破壞性電壓的風險中。隔離變壓器的二次側需要額外的保護，以免受到突波影響。

使用 TVS 二極體提供突波防護

GbE PHY 需要的防護裝置要能隔離、阻斷或抑制大量的瞬態能量脈衝。額外的變壓器可以完全隔離乙太網路電子裝置，但體積龐大且價格昂貴。保險絲是價格親民的阻斷方法，但必須在每次跳脫事件後重置或更換。TVS 二極體是不錯的折衷方案；可有效地將峰值暫態電壓抑制到安全位準，不需要重置，外型緊湊且價格合理。

結構上來看，TVS 二極體是一種 p-n 裝置，專門設計較大的接面截面積，可吸收高暫態電流與電壓。雖然 TVS 二極體的電壓／電流特性跟齊納二極體很類似，但主要是用來抑制電壓，而不是調節電壓。相較於其他的抑制裝置，TVS 二極體的關鍵優勢之一是能迅速回應電氣暫態 (通常在奈秒之內) — 這可將暫態能量安全地轉移到地面，同時維持恆定的箝位電壓 (圖 5)。

圖 5：TVS 二極體針對高於臨界位準的暫態電壓提供低阻抗的接地路徑。因此，電路在受保護下僅會受到安全電壓的影響。(圖片來源：Semtech)

在正常工作期間，當電壓高於工作電壓 (V_RWM) 時，TVS 二極體會對電路施加高阻抗。當裝置端子兩端的電壓超過擊穿電壓 (V_BR) 時，二極體接面會引起突崩，導致其「回彈」或切換到低阻抗導通狀態。當暫態峰值脈衝電流 (I_PP) 流經裝置時，會將電壓降低到箝位位準 (V_C)。受保護電路可承受的最大電壓等於 V_C，並且通常在適中範圍內。一旦電流降低至保持電流 (I_H) 以下，TVS 二極體將返回高阻抗斷態 (圖 6 和表 1)。

圖 6：TVS 二極體的工作特性。在崩潰電壓下，元件會切換到低阻抗導通狀態，並在暫態峰值電流流通時，將電壓降低到安全的箝位位準。(圖片來源：Semtech)

表 1：圖 6 的參數定義。(表格來源：Semtech)

知名製造商的 TVS 二極體在設計上可保護介面，同時符合 IEC 61000-4-2 (ESD)、IEC 61000-4-4 (EFT) 和 IEC 61000-4-5 (雷擊) 等標準所述的嚴格耐受度要求。

IEC 61000-4-5 標準有規定抗突波能力的測試方法，並詳細描述用來判定 TVS 二極體能力的典型突波波形。波形會模擬一道間接雷擊，並在 8 μs 內達到其峰值電流值 (tp) 的 90%，並在 20 μs 內衰減到其峰值的 50%。規格書通常會將此稱為「8/20 μs 波形」，並且會詳細說明防護裝置可承受的波形最大峰值脈衝電流 (I_PP)。規格書通常也會詳細說明產品在面對 1.2/50 μs 間接雷擊引起的相關電壓突波波形下的回應 (暫態突波在 1.2 μs 內達到峰值電壓，並在 50 μs 內衰減到峰值的 50%)。

TVS 二極體的另一個關鍵防護特性是「ESD 耐受電壓」。這是防護裝置可以承受，但不會受損的最大靜電放電電壓，通常在數十 kV 左右。

TVS 二極體可提供 GbE PHY 防護

除了 GbE 外，TVS 二極體還可用於保護多種介面，包括 HDMI、USB Type-C、RS-485 和 DisplayPort。但是，這些介面要求的防護程度各有些許不同。因此，TVS 二極體的設計必須呼應指定應用。

舉例而言，Semtech 就針對 GbE 介面的防護製造一系列 TVS 二極體。根據 Semtech，這些裝置採用的製程技術，相較於其他矽突崩二極體工藝，可降低漏電流和電容量。此產品系列的另一個優點在於，具有 3.3 至 5 V (取決於版本) 的低工作電壓，可節省能源。

例如，RailClamp 系列中的 RCLAMP0512TQTTCT 就可提供 2.5 GbE 介面防護。此裝置具有 20 A 的 I_PP 能力 (tp = 8/20 和 1.2/50 μs)，峰值脈衝功率 (P_PK) 為 170 W。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。V_BR 為 9.2 V (典型)，I_H 為 150 (mA) (典型)、V_C 典型值為 5 V，最大值為 8.5 V (圖 7)。

圖 7：RCLAMP0512TQTCT 在承受 1.2/50 μs 電壓和 20 A 的 8/20 μs 電流突波峰值時的箝位電壓特性。在短暫的峰值之後，箝位電壓會趨穩到 5 V 以下，進而保護 GbE PHY。(圖片來源：Semtech)

RCLAMP0512TQ 是一款緊湊型裝置，採用 3 引腳 SGP1006N3T 封裝，尺寸為 1.0 x 0.6 x 0.4 mm。

Semtech RailClamp 系列中還有其他產品，可針對用於危害風險更大環境中的 1 GbE 應用提供更強大的防護。以 RCLAMP3374N.TCT 為例，具有 40 A 的 I_PP 能力 (tp = 8/20 和 1.2/50 μs)，以及 1 kW 的 P_PK。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。當 I_PP = 40 A 時，V_C 為 25 V (最大)。元件尺寸為 3.0 x 2.0 x 0.60 mm。

在 RailClamp 系列中，有個中階裝置是 RCLAMP3354S.TCT。適用於 1 GbE 防護，並提供 25 A 的 I_PP 能力(tp = 8/20 和 1.2/50 μs) 以及 400 W 的 P_PK。ESD 耐受電壓為 +/-30 kV。當 I_PP = 25 A 時，V_C 為 16 V (最大)。

TVS 二極體防護的設計導入

圖 8 指出使用 RCLAMP0512TQTCT 的 GbE PHY 防護機制。這些裝置位於變壓器的 PHY 側，且在各個乙太網路線對上安裝一個裝置，藉此提供差模突波防護。乙太網路差動對的佈線會通過 TVS 二極體元件的引腳 1 和 2，但並未連接引腳 3。

圖 8：TVS 二極體防護元件會放置在變壓器的乙太網路 PHY 側，橫跨每個差動線對，並盡可能靠近 PHY 磁性元件。(圖片來源：Semtech)

工程師在安裝時，應盡可能讓防護元件靠近乙太網路 PHY 磁性元件，藉此限制保護路徑中的寄生電感，且最好位於印刷電路板 (PCB) 的同一側。如果使用微通孔直接與印刷電路板的接地層進行接地連接，也有所助益。

降低寄生電感對於快速上升時間暫態的抑制來說尤其重要。防護裝置路徑中的電感會增加受保護裝置所暴露的 V_C。V_C 與路徑電感乘以突波期間電流變化率成正比。例如，在上升時間為 1 ns 的 30 A ESD 脈衝下，只要 1 nH 的路徑電感就會讓峰值 V_C 增加 30 V。

請注意，選定的乙太網路變壓器必須可耐受預期的突波且不會故障。典型的乙太網路變壓器在發生故障之前可以承受幾百安培 (tp = 8/20 μs)，但這需要透過測試來驗證。或者，如果對變壓器的突波耐受度有所質疑，則可將防護元件放置在變壓器的線路側。缺點是變壓器提供的額外保護會喪失，並且 GbE 系統耐受高能量突波的能力會受限於防護裝置的能力。

結論

GbE 是一種可靠且廣泛使用的高速通訊系統，但礙於雷擊和 ESD 等現象，所有使用導線的系統都會受到能量暫態的影響。可利用 GbE 埠的變壓器、CMC 和端接電路將此突波緩解至一定的程度，但差模突波則會繞過抑制功能並破壞乙太網路 PHY。建議對關鍵系統提供額外保護。

TVS 二極體是一個不錯的選擇，因為可有效將峰值暫態電壓抑制到安全位準，且無需重置，並採用緊湊外型且價格合理。建議針對應用謹慎挑選適合的防護元件，因為功能包羅萬象，包括峰值電流保護。此外，也建議遵守良好的設計準則，例如定位和接地，以便發揮指定 TVS 二極體的最大防護效果。