Implementierung von TVS-Dioden zum Schutz von Gigabit-Ethernet vor Spannungs- und Stromtransienten

Gigabit Ethernet (GbE) ist ein robustes Highspeed-Kommunikationssystem, das in Privathaushalten, im Handel und in der Industrie weit verbreitet ist. Ethernet-Systeme stellen jedoch eine Herausforderung dar, insbesondere wenn die Vernetzung über das Gebäude hinausgeht. Längere Leitungen können unerwartet hohen transienten Spannungen und Strömen ausgesetzt sein, und elektrostatische Entladungen (ESD) stellen ein ständiges Risiko dar.

Die physikalische Schicht (PHY) von GbE enthält einige Komponenten, die einen gewissen Schutz bieten, wie z. B. den Trennwandler. Die eingebaute Überspannungsschutzfunktion kann jedoch nicht unter allen Umständen einen zuverlässigen Schutz bieten.

TVS-Dioden (TVS: Unterdrückung transienter Spannungsspitzen) sind bewährte, kostengünstige und robuste Komponenten zum Schutz von Schaltkreisen in platz- und kostenbeschränkten Anwendungen wie GbE. Im Normalbetrieb sind die Komponenten transparent (d.h. sie treten nicht in Erscheinung). Dennoch müssen die Geräte mehrere Kommunikationskanäle vor Stromstößen von bis zu 40 Ampere (A) und ESDs von bis zu 30 Kilovolt (kV) schützen und im Normalbetrieb eine niedrige Ladekapazität beibehalten, um die Integrität der Hochgeschwindigkeitssignale zu gewährleisten.

Dieser Artikel beschreibt die Herausforderungen beim Design von GbE-Hochspannungs-Transienten- und ESD-Schutz und geht dann auf die einzigartigen Eigenschaften von TVS-Dioden ein, die zur Energieunterdrückung erforderlich sind. Der Artikel beschreibt dann einige kommerzielle Lösungen für das Problem, bevor er zeigt, wie man die ausgewählten Komponenten in Systeme für den Transientenschutz nach Normen wie IEC 61000-4-2, -4 und -5 einbaut.

Gefahren durch transiente Spannungseffekte

GbE ist ein kabelgebundenes Highspeed-Kommunikationssystem. Kupferverbindungen übertragen die Differenzsignale, die die „Nullen“ und „Einsen“ darstellen, aus denen der digitale Signalstrom besteht. Dieser Kupferdraht ist jedoch auch der perfekte Transportmechanismus für hohe transiente Spannungen und ESD-Ereignisse, die Siliziumschaltkreiselemente beschädigen könnten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ohne Schutz können GbE-PHYs durch hohe transiente Spannungen und ESD zerstört werden. (Bildquelle: Semtech)

Das Design der GbE-PHY beinhaltet einen gewissen Schutz durch den Trenntransformator. Die GbE-Spezifikation (IEEE 802.3) fordert eine Mindestisolierung von 2,1 kV. Die meisten kommerziellen Transformatoren bieten eine Isolierung von 4 bis 8 kV. Darüber hinaus enthalten GbE-Schnittstellen in der Regel eine Gleichtaktdrossel (CMC), eine Drosselspule, die dazu dient, Wechselstrom höherer Frequenz zu blockieren und so ESD-Spitzen zu reduzieren. Ein letzter Grad an Schutz ergibt sich aus der „Bob Smith“-Terminierung. Dabei wird ein 75-Ohm-Widerstand (Ω) verwendet, um eine Gleichtaktimpedanzanpassung für Signalpaare zu realisieren, die gemeinsam über einen Kondensator mit Masse verbunden sind. Die Terminierung kann dazu beitragen, die später diskutierten Gleichtaktstörungen zu reduzieren (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die physikalische Schicht von GbE verfügt über einen eingebauten Schutz vor transienten Spannungen, einschließlich eines Trenntransformators, einer Gleichtaktdrossel und einer Widerstandsabschlussschaltung. (Bildquelle: Semtech)

Es ist riskant, sich für einen umfassenden Schutz einfach auf den GbE-PHY-Trenntransformator, die Gleichtaktdrossel und die Abschlussschaltung zu verlassen. Die Komponenten bieten zwar eine gewisse Abschwächung der transienten Spannungen, aber es gibt mehrere Umstände, unter denen der Anschluss beschädigt werden kann.

Die transienten Spannungsausschläge bei GbE können entweder als Gleichtakt- oder als Differenzspannungen klassifiziert werden. Während einer Gleichtaktspannungstransiente steigen alle GbE-PHY-Leiter sofort auf dieselbe Spannung in Bezug auf die Masse an. Da alle Leiter auf demselben Potenzial liegen, findet keine Stromübertragung von einem Leiter zum anderen statt. Stattdessen fließt der Strom zur Erde. Ein üblicher Pfad für den Stromfluss ist durch den Leiter zur Erde über die Mittelanzapfung des Transformators und durch die Abschlussschaltung (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Gleichtaktstrom mit hoher transienter Spannung fließt durch den RJ-45-Anschluss über den Mittelabgriff des Trenntransformators zur Erde. (Bildquelle: Semtech)

Anders verhält es sich mit dem Differenzstromstoß. Der Strom fließt auf einer Signalleitung des Differenzpaares in den GbE-Anschluss, durch den Transformator und auf der anderen Signalleitung wieder aus dem Anschluss heraus. Der durch die Primärwicklung des Transformators fließende transiente Strom induziert einen Stromstoß in der Sekundärwicklung. Sobald die Überspannung beseitigt ist, wird die im Transformator gespeicherte Energie auf die empfindliche GbE-PHY übertragen. Diese übertragene Energie führt im besten Fall zu Datenverlusten und Störungen, im schlimmsten Fall zu dauerhaften Schäden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Ein Differenzstromstoß induziert einen Strom durch den Trenntransformator, der empfindliche elektronische Schaltungen beschädigen kann. (Bildquelle: Semtech)

Abbildung 4 zeigt, dass die Überspannung im Differenzmodus am gefährlichsten ist, da sie die GbE-PHY potenziell schädlichen Spannungen aussetzt. Zum Schutz vor diesen Überspannungen ist ein zusätzlicher Schutz auf der Sekundärseite des Trenntransformators erforderlich.

Verwendung von TVS-Dioden für den Überspannungsschutz

Der Schutz der GbE-PHY erfordert Komponenten, die die großen transienten Energieimpulse isolieren, blockieren oder unterdrücken können. Zusätzliche Transformatoren können die Ethernet-Elektronik vollständig isolieren, sind jedoch sperrig und können teuer sein. Sicherungen sind eine kostengünstige Methode zur Blockierung, müssen aber nach jeder Auslösung zurückgesetzt oder ersetzt werden. TVS-Dioden sind ein guter Kompromiss: Sie unterdrücken die transiente Spitzenspannung effektiv auf ein sicheres Niveau, müssen nicht zurückgesetzt werden, sind kompakt und preisgünstig.

Strukturell ist eine TVS-Diode ein p-n-Bauelement, das speziell mit einer großen Sperrschichtquerschnittsfläche entwickelt wurde, um hohe transiente Ströme und Spannungen zu absorbieren. Die Spannungs-/Stromkennlinien einer TVS-Diode ähneln denen einer Zenerdiode, doch sind die Bauelemente eher für die Spannungsunterdrückung als für die Spannungsregelung ausgelegt. Ein entscheidender Vorteil einer TVS-Diode im Vergleich zu anderen Unterdrückungsvorrichtungen ist ihre schnelle Reaktion (in der Regel innerhalb von Nanosekunden) auf elektrische Transienten - sie leitet die Energie der Transienten sicher zur Erde ab und hält dabei eine konstante Klemmspannung aufrecht (Abbildung 5).

Abbildung 5: Eine TVS-Diode bietet für transiente Spannungen oberhalb eines Schwellenwerts einen niederohmigen Pfad zur Erde. Dadurch wird der geschützte Stromkreis nur mit einer sicheren Spannung beaufschlagt. (Bildquelle: Semtech)

Im Normalbetrieb stellt die TVS-Diode für Spannungen bis zu ihrer Arbeitsspannung (V_RWM) eine hohe Impedanz für den Stromkreis dar. Wenn die Spannung an den Anschlüssen des Bauelements die Durchbruchsspannung (V_BR) übersteigt, kommt es zu einem Lawinendurchbruch im Übergang der Diode, wodurch sie „zurückschnappt“ oder in einen Ein-Zustand mit niedriger Impedanz übergeht. Dadurch wird die Spannung auf einen geklemmten Wert (V_C) gesenkt, während der transiente Spitzenimpulsstrom (I_PP) durch die Komponente fließt. Die maximale Spannung, der der geschützte Stromkreis ausgesetzt ist, entspricht V_C und ist in der Regel bescheiden. Sobald der Strom unter den Haltestrom (I_H) sinkt, kehrt die TVS-Diode in einen hochohmigen Aus-Zustand zurück (Abbildung 6 und Tabelle 1).

Abbildung 6: Betriebseigenschaften der TVS-Diode. Bei der Durchbruchsspannung schaltet das Bauteil in einen niederohmigen Ein-Zustand und senkt die Spannung auf ein sicheres, geklemmtes Niveau, wenn der transiente Spitzenstrom fließt. (Bildquelle: Semtech)

Tabelle 1: Parameterdefinitionen für Abbildung 6. (Quelle der Tabelle: Semtech)

TVS-Dioden von namhaften Herstellern sind so konzipiert, dass sie Schnittstellen schützen und gleichzeitig die strengen Störfestigkeitsnormen erfüllen, die in Dokumenten wie IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) und IEC 61000-4-5 (Blitzschlag) beschrieben sind.

Die IEC 61000-4-5, die die Prüfung der Überspannungsfestigkeit spezifiziert, enthält Einzelheiten über die typische Überspannungswellenform, die zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer TVS-Diode verwendet wird. Die Wellenform simuliert einen indirekten Blitzeinschlag und erreicht 90 Prozent ihres Spitzenstromwertes (tp) in 8 Mikrosekunden (µs) und fällt in 20 µs auf 50 Prozent ihres Spitzenwertes ab. In den Datenblättern wird dies häufig als „8/20-µs-Wellenform“ bezeichnet, und es werden Angaben zum maximalen Impulsspitzenstrom (I_PP) der Wellenform gemacht, dem die Schutzvorrichtung standhalten kann. In den Datenblättern wird in der Regel auch die Reaktion des Produkts auf die zugehörige Spannungsstoßwellenform angegeben, die durch einen indirekten Blitzeinschlag von 1,2/50 µs verursacht wird (ein transienter Stoß, der seine Spitzenspannung in 1,2 µs erreicht und in 50 µs auf 50 Prozent seines Spitzenwerts abfällt).

Das andere wichtige Schutzmerkmal einer TVS-Diode ist ihre „ESD-Spannungsfestigkeit“. Dies ist die maximale Entladungsspannung statischer Elektrizität, die die Schutzkomponente ohne Schaden tolerieren kann, und liegt typischerweise in der Größenordnung von einigen zehn kV.

TVS-Dioden für den GbE-PHY-Schutz

Zusätzlich zu GbE sind TVS-Dioden für den Schutz einer Reihe von Schnittstellen erhältlich, darunter HDMI, USB Typ-C, RS-485 und DisplayPort. Jede dieser Schnittstellen erfordert jedoch ein unterschiedliches Maß an Schutz. Daher ist es wichtig, dass die TVS-Diode für die jeweilige Anwendung ausgelegt ist.

Semtech stellt zum Beispiel eine Reihe von TVS-Dioden her, die auf den Schutz von GbE-Schnittstellen ausgerichtet sind. Die Bauelemente werden mit einer Prozesstechnologie hergestellt, die nach Angaben von Semtech zu einer Verringerung des Leckstroms und der Kapazität im Vergleich zu anderen Silizium-Avalanche-Diodenprozessen führt. Ein weiterer Vorteil der Produktreihe ist die niedrige Betriebsspannung von 3,3 bis 5 Volt (je nach Ausführung), um Energie zu sparen.

Die RailClamp-Serie umfasst beispielsweise die RCLAMP0512TQTCT, die für den Schutz von 2,5-GbE-Schnittstellen geeignet ist. Dieses Bauteil verfügt über eine I_PP-Fähigkeit von 20 Ampere (A) (tp = 8/20 µs und 1,2/50 µs) und eine Pulsspitzenleistung (P_PK) von 170 Watt. Die ESD-Spannungsfestigkeit beträgt +/-30 kV. Die V_BR beträgt 9,2 Volt (typisch), I_H beträgt 150 Milliampere (mA) (typisch) und V_C beträgt 5 Volt typisch und 8,5 Volt maximal (Abbildung 7).

Abbildung 7: Klemmenspannungscharakteristik der RCLAMP0512TQTCT bei einem Spannungsstoß von 1,2/50 µs und einem Stromstoß von 8/20 µs mit einem Spitzenwert von 20 A. Nach einer kurzzeitigen Spitze pendelt sich die Klemmspannung auf unter 5 Volt ein und schützt die GbE-PHY. (Bildquelle: Semtech)

Die RCLAMP0512TQ ist ein kompakter Baustein in einem 3-poligen SGP1006N3T-Gehäuse mit den Abmessungen 1,0 x 0,6 x 0,4 Millimeter (mm).

Es gibt andere Produkte der RailClamp-Serie von Semtech, die einen größeren Schutz für 1GbE-Anwendungen bieten, die in potenziell gefährlicheren Situationen eingesetzt werden. Die RCLAMP3374N.TCT bietet beispielsweise eine I_PP-Fähigkeit von 40 A (tp = 8/20 µs und 1,2/50 µs) und eine P_PK von 1 Kilowatt (kW). Die ESD-Spannungsfestigkeit beträgt +/-30 kV. V_C ist 25 Volt (max.), wenn I_PP = 40 A. Das Bauteil misst 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

Eine Komponente im mittleren Bereich der RailClamp-Reihe ist die RCLAMP3354S.TCT. Sie ist für 1GbE-Schutz geeignet und bietet eine I_PP-Fähigkeit von 25 A (tp = 8/20 µs und 1,2/50 µs) und eine P_PK von 400 Watt. Die ESD-Spannungsfestigkeit beträgt +/-30 kV. V_C ist 16 Volt (max.), wenn I_PP = 25 A.

Implementierung eines TVS-Diodenschutzes

Abbildung 8 zeigt ein GbE-PHY-Schutzschema unter Verwendung der RCLAMP0512TQTCT. Die Komponenten befinden sich auf der PHY-Seite des Transformators, um vor Überspannungen im Differenzmodus zu schützen, wobei eine Komponente über jedes Ethernet-Leitungspaar gelegt wird. Die Ethernet-Differenzpaare werden durch jede TVS-Diodenkomponente an den Pins 1 und 2 geleitet, wobei Pin 3 nicht angeschlossen ist.

Abbildung 8: Die TVS-Dioden-Schutzkomponenten werden auf der Ethernet-PHY-Seite der Transformatoren über jedem Differenzpaar und so nahe wie möglich an den induktiven PHY-Komponenten platziert. (Bildquelle: Semtech)

Der Ingenieur sollte die parasitäre Induktivität im Schutzpfad begrenzen, indem er die Schutzkomponente so nahe wie möglich an den induktiven Ethernet-PHY-Komponenten und vorzugsweise auf der gleichen Seite der Leiterplatte anordnet. Es ist auch hilfreich, wenn die Masseverbindungen mit Hilfe von Mikrovias direkt mit der Massefläche der Leiterplatte verbunden werden.

Die Verringerung der parasitären Induktivität ist besonders wichtig für die Unterdrückung schneller Anstiegszeittransienten. Die Induktivität im Pfad der Schutzeinrichtung erhöht die V_C, der die geschützte Einrichtung ausgesetzt ist. V_C ist proportional zur Pfadinduktivität mal der Änderungsrate des Stroms während des Stromstoßes. So kann zum Beispiel nur 1 Nanohenry (nH) Pfadinduktivität den Spitzenwert von V_C um 30 Volt für einen 30-A-ESD-Impuls mit einer Anstiegszeit von 1 Nanosekunde (ns) erhöhen.

Beachten Sie, dass der ausgewählte Ethernet-Transformator die zu erwartenden Überspannungen ohne Ausfall überstehen muss. Ein typischer Ethernet-Transformator kann einige hundert Ampere (tp = 8/20 µs) aushalten, bevor es zu einem Ausfall kommt, was jedoch durch Tests überprüft werden muss. Wenn die Überspannungsfestigkeit des Transformators zweifelhaft ist, kann die Schutzkomponente alternativ auf der Netzseite des Transformators angebracht werden. Der Nachteil ist, dass der zusätzliche Schutz durch den Transformator dann verloren geht und die Fähigkeit des GbE-Systems, hohen Energiespitzen standzuhalten, auf die Fähigkeit der Schutzkomponente beschränkt ist.

Fazit

GbE ist ein zuverlässiges und weit verbreitetes Highspeed-Kommunikationssystem, aber alle Systeme, die mit Leitern arbeiten, unterliegen Energietransienten aufgrund von Phänomenen wie Blitzschlag und ESD. Solche Überspannungen werden bis zu einem gewissen Grad durch den Transformator, die Gleichtaktdrossel und die Abschlussschaltung des GbE-Ports abgeschwächt, aber Differenzmode-Überspannungen können diese Unterdrückung umgehen und die Ethernet-PHY beschädigen. Für kritische Systeme wird ein zusätzlicher Schutz empfohlen.

TVS-Dioden sind eine gute Option, da sie die transiente Spitzenspannung wirksam auf ein sicheres Niveau unterdrücken, keine Rückstellung erfordern und kompakt und preisgünstig sind. Es ist ratsam, die Schutzkomponente sorgfältig auf die Anwendung abzustimmen, da sie in einer breiten Palette von Funktionen, einschließlich Spitzenstromschutz, erhältlich sind. Um den Schutz einer bestimmten TVS-Diode zu maximieren, wird außerdem die Einhaltung guter Konstruktionsrichtlinien empfohlen, z. B. in Bezug auf Position und Erdung.