離散式或整合式：探索 Gigabit 乙太網路前端的保護選項

Gigabit 乙太網路 (GbE) 是一種健全的高速通訊系統，廣泛用於家庭、商業和工業場所。然而，若連接器遭到意外的高位準暫態電壓破壞，這種健全性會受到挑戰。雷擊和靜電放電 (ESD) 等事件都可能會引起這種暫態。在沒有保護的情況下，電壓尖波會傳導通過連接器，然後迅速燒毀 GbE 實體層 (PHY) 的矽。

因此，GbE 前端元件的設計需具備高度保護也就不足為奇了。這通常可用隔離變壓器來達成。GbE 規範 (IEEE 802.3) 規定 GbE 前端的最小隔離額定值為 2.1 kV，但大多數商用變壓器則提供 4 至 8 kV 的隔離額定值。GbE 介面的額外保護會以共模扼流圈 (CMC) 的形式提供，這是一種用於阻斷高頻交流電 (AC) 的電感，有助於降低 ESD 尖波的嚴重程度。

「Bob Smith」端接可進一步提升防護效果。此設計是以 Robert W. Smith 於1993 年提出的一項專利而命名，但該專利現已到期。該專利指出「一種用於端接電纜的裝置，可將電纜散發的輻射和電纜對外部干擾的敏感性降至最低。」在 GbE 應用中，Bob Smith 端接通常使用 75 Ω 的電阻來實作共模阻抗匹配，這有助於一起透過電容接地的訊號對降低共模輻射 (圖 1)。

圖 1：Gigabit 乙太網路系統中每個通道的前端電壓尖波和 ESD 保護通常含有一個隔離變壓器、一個 CMC 和一個 Bob Smith 終端。(圖片來源：Würth Elektronik)

離散式和整合式 GbE 防護的比較

身為設計人員，您有三個標準選項可實作 GbE 防護。選項一是挑選您自己的變壓器、CMC、Bob Smith 終端和其他接地元件，然後針對您的電路板設計電路。優點是您可以挑選高階元件將防護程度拉到最高、與其他選項相比還可節省一些元件的費用，更可享受打造原創設計的滿足感。缺點是設計過程較棘手，可能需要花時間，而且個別元件會比整合式解決方案佔用更多的空間。

選項二是挑選已經將變壓器和 CMC 整合到單一元件的模組。此模組可以將多個變壓器和 CMC 整合到一個元件中，以配合多個通道。這樣做的優點是節省空間並讓設計週期更輕鬆，但您可能仍需要納入 Bob Smith 端接和其他接地元件。

Würth Elektronik 的 WE-LAN 系列就有多款這類模組。可參考 749020310 WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T 表面黏著元件 (SMD)。此元件可保護四個通道，並具有 350 μH 電感值、在 60 至 100 MHz 頻率範圍內具有 -30 dB 的差動共模拒斥比 (CMRR)，以及可通過 1 分鐘 1500 V (RMS) 的絕緣測試電壓。

選項三是挑選帶有整合式變壓器和 CMC 的 RJ45 連接器。這是最緊湊的設計。折衷點在於缺乏 GbE 前端元件的靈活性。這種 RJ45 連接器的例子之一是 Würth Elektronik 的 7499611420 WE-RJ45LAN 變壓器 10/100/1000/10G Base-T，其整合了四個受保護的通道，包括變壓器、CMC 甚至 75 Ω 的終端電阻。此連接器具有 120 μH 電感、在 1 至 100 MHz 頻率範圍內具有 -28 dB 的差動 CMRR、可通過 1 分鐘 1500 V (RMS) 的絕緣測試電壓 (圖 2)。

圖 2：Würth Elektronik 的 7499611420 整合了四個通道，包括隔離變壓器、CMC 和終端電阻保護。(圖片來源：Würth Elektronik)

使用具有整合式保護功能的 RJ45 連接器可節省大量空間，對於空間受限的應用來說相當實用 (圖 3)。

圖 3：與單獨元件 (a) 相比，將 GbE 防護整合到 RJ45 連接器 (b) 中，就無需保護模組並可節省電路板空間。(圖片來源：Würth Elektronik)

測試電磁相容性

您可能想知道，將電路緊密裝入 RJ45 連接器中是否會破壞電路提供的防護。解答就在一篇內容豐富的應用說明中 (ANP116)：《從 EMC 的角度來看 Gigabit 乙太網路介面》。Würth Elektronik 在此應用說明中測試了圖 3(a) 和 (b) 所示的公版設計。

有個重點在於乙太網路纜線對 GbE 系統電磁相容性 (EMC) 的影響：事實證明，纜線類型並不會顯著影響 EMC 行為，但相較於屏蔽纜線，非屏蔽纜線 (也許不意外) 會發出更多干擾且耐受度較低 (最多降低 20 dB)。

纜線就講到這裡；那前端組件又如何呢？在此應用說明中，Würth Elektronik 歸納出，這兩種公版設計在電磁相容性 (EMC) 行為方面具有差異，主要在於對高壓「突發」位準的耐受性。

電感電路切換引起火花時，就會產生這些突發。突發的干擾會強烈影響乙太網路導線的結構。若 EMC 環境具有較高的突發位準而需要增強效能時，就建議採用離散式 (模組) 乙太網路介面設計。

除了在突發情況下的 EMC 差異外，這兩種類型的 EMC 行為可彼此媲美，並且兩種設計在 1 GHz 頻率範圍內的效能都優於美國聯邦通訊委員會 (FCC) 對住宅設備的 B 類認證限制，至少高出 10 dB (圖 4)。

圖 4：離散式 (模組) 和整合式 (RJ45 連接器) EMC 效能 (輻射干擾排放) 與住宅設備的 FCC B 類認證限制的比較。(圖片來源：Würth Elektronik)

圖 4 是在採用非屏蔽纜線搭配水平天線極化下的最壞情況。屏蔽纜線可進一步減少排放。

使用變壓器選項搭配設計套件進行實驗

由於 GbE 設備必須進行電路保護，因此多年來在元件上經過不斷改善，電路設計也臻於成熟。因此，工程師可利用公版設計和離散式元件打造其專屬的實作方案，但也有許多商業選項提供整合式解決方案。

Würth Elektronik 就有提供便利的設計套件：749945。此套件提供 WE-RJ45 LAN 變壓器的完整範例，以便您盡情使用。

結論

GbE 電路保護的常用選項包括整合保護電路且安裝在 RJ45 連接器和 GbE PHY 之間的模組，或是將保護電路裝在外殼內即可省去模組的 RJ45 連接器。選擇時，必須在空間和前端設計靈活性之間進行權衡，但兩者都可提供符合認證限制的防護效果。