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2011-05-26

電子產品的威脅及乙太網路的保護

2011/05/24-陳昌博
 
電路板端研發工程師通常使用TVS二極管陣列以提供對乙太網端口的保護。在許多情況下,設計人員使用保護器去維護設備的可靠性,以對抗包括:Lighting Induced Surges、ESD (Electrostatic Discharge)、EFT(Electrical Fast Transient)及CDE(Cable Discharge Event)在內的4種主要威脅。
 
去瞭解上述威脅事件的本質與「方向性」,將有助於引導工程師如何對乙太網端口做最佳的保護,更重要的是元件的腳位連接對影響系統性能會是如何。所提供的資料在下面的章節中,將參考圖1,以協助說明相關問題。
 
根據不同標準或法規的規定(評估設備抗擾度標準如IEC61000-4-5、GR-1089、ITU),雷擊浪湧可以分為差動或共模2種測試模式並有不同的波形。在差動模式下,1對絞線(Pair)的2個導體或接腳(即J1和J2)連接到測試設備測試端的正負極之間,測試的能量進到RJ-45端口,並只出現在這2個導體之間(見圖2)。測試的主要能量將會消散在接線端保護元件,如(圖1)所顯示為Littelfuse的SP03系列(半導體的保護矩陣),但一些能量也會藉由變壓器的傳輸,而在變壓器的驅動器端(or PHY Side)產生出差動的事件,如此例(圖1)中的TX+和TX-數據線。

共模測試是測試個別的導線或所有數據線對GND的測試。測試設備的正極連接到所有的導體或接腳(即J1,J2,J3和J6),負極將連接到GND(見圖2)。假設線路的阻抗是完全匹配的,在這種情況下,很少的能量會消耗在SP03。大部分的能量會透過變壓器磁性元件的電容耦合,到變壓器驅動器端,而在乙太網的PHY元件上產生出1個共模事件。


Electrostatic Discharge (ESD)

評估設備ESD抗擾度(符合IEC61000-4-2標準),可經由接觸或空氣進行放電。有許多方法來打ESD能量,但在所有情況下,可將ESD脈衝的出現,視同對電路共模事件,參考對GND的能量釋放。


Electrical Fast Transient (EFT)

檢驗設備的EFT抗擾度(符合IEC61000-4-4標準)與雷擊浪湧的共模測試非常相似。在較典型的配置如圖3所示,所有的導體(或接腳)都被電容耦合到測試產生器的正端,另一端則是「浪湧」到GND。如果數據線有很好的平衡,則在絞線(Pairs)之間幾乎沒有任何能量的差別,但變壓器的電容耦合將轉移共模的能量到驅動器側,儘管已減少很多。


Cable Discharge Event (CDE)

CDE是另一種現象,應該與靜電放電(ESD)有所區別並分開考慮。雙絞線電纜的特性和應用環境的了解,在對CDE的考量中扮演著重要角色。經常變化的電纜環境也增加了預防CDE損害的挑戰。系統設計師可以透過良好的線路布局及慎選零組件來達到最大限度地保護,而防止CDE事件的發生。在IEEE 802.3標準要求絕緣電壓為2,250伏直流和1,500伏交流,以防止可能因高電壓產生的CDE而造成的連接器故障。為了避免在這些事件中的電弧,這些絕緣的規定適用於在RJ-45連接器,如同變壓器的絕緣。為了防止電介質崩潰和電路板上的跳火,印刷電路板接線側和內部線路的地之間應有足夠的漏電距離,佈線之間要有足夠間隙。實驗室測試結果顯示,瞬時要能承受2,000V的電壓,在FR4電路板佈線間距應有至少250密爾的間距(來源:http://www.national.com)。UTP電纜放電事件可以高達幾千伏,非常具有破壞性。電荷積累來自兩個主要來源:摩擦電和電磁感應的效果。

 

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