Come progettare

Mar 23, 2023

Di Steven Keeping, Digikey

Gigabit Ethernet (GbE) è un sistema di comunicazione robusto e ad alta velocità ampiamente utilizzato in ambienti domestici, commerciali e industriali. Tuttavia, i sistemi Ethernet presentano delle sfide, in particolare quando la connettività si estende oltre l’edificio. Le linee estese possono essere soggette a tensioni e correnti transitorie di alto livello impreviste e le scariche elettrostatiche (ESD) rappresentano un rischio continuo.

Il livello fisico GbE (PHY) include alcuni componenti che forniscono un grado di protezione, come il trasformatore di isolamento. Ma non è possibile fare affidamento sulla mitigazione della tensione transitoria integrata per offrire protezione in tutte le circostanze.

I diodi di soppressione della tensione transitoria (TVS) sono un dispositivo di protezione del circuito collaudato, economico e robusto in applicazioni con vincoli di spazio e costi come GbE. Durante il normale funzionamento, i dispositivi appaiono trasparenti. Tuttavia, i dispositivi devono proteggere più canali di comunicazione da sovracorrenti fino a 40 A (A) e ESD fino a 30 kilovolt (kV) e mantenere una bassa capacità di carico nell'uso normale per garantire l'integrità del segnale ad alta velocità.

Questo articolo descrive le sfide progettuali presentate dalla protezione ESD e dai transitori ad alta tensione GbE, quindi considera le caratteristiche uniche dei diodi TVS necessari per la soppressione dell'energia. L'articolo descrive quindi alcune soluzioni commerciali per il problema prima di mostrare come progettare i dispositivi selezionati in sistemi per la protezione dai transitori secondo standard come IEC 61000-4-2, -4 e -5.

GbE è un sistema di comunicazione cablato ad alta velocità. Le connessioni in rame trasportano i segnali differenziali che rappresentano gli "zeri" e gli "uno" che compongono il flusso del segnale digitale. Tuttavia, il filo di rame è anche il meccanismo di trasporto perfetto per tensioni transitorie elevate ed eventi ESD che potrebbero danneggiare gli elementi del circuito in silicio (Figura 1).

Il design del GbE PHY include un certo grado di protezione tramite il trasformatore di isolamento. La specifica GbE (IEEE 802.3) richiede un valore di isolamento minimo di 2,1 kV. La maggior parte dei trasformatori commerciali offre un isolamento da 4 a 8 kV. Inoltre, le interfacce GbE includono in genere un'induttanza di modo comune (CMC), un induttore utilizzato per bloccare la corrente alternata ad alta frequenza per contribuire a ridurre i picchi ESD. Un ultimo grado di protezione deriva dalla terminazione "Bob Smith". Utilizza un resistore da 75 ohm (Ω) per implementare un adattamento di impedenza di modo comune per coppie di segnali collegate collettivamente tramite un condensatore a terra. La terminazione può contribuire a ridurre le emissioni di modo comune discusse più avanti (Figura 2).

Affidarsi semplicemente al trasformatore di isolamento GbE PHY, al CMC e al circuito di terminazione per una protezione completa è rischioso. Sebbene i componenti offrano una certa attenuazione della tensione transitoria, esistono diverse circostanze che lasciano la porta esposta a danni.

Le escursioni della tensione transitoria GbE possono essere classificate in modalità comune o differenziale. Durante un transitorio di tensione di modo comune, tutti i conduttori GbE PHY salgono istantaneamente alla stessa tensione rispetto a terra. Poiché tutti i conduttori hanno lo stesso potenziale, non vi è alcun trasferimento di corrente da un conduttore all’altro. Invece, la corrente scorre verso terra. Un percorso comune per il flusso di corrente è attraverso il conduttore verso terra tramite la presa centrale del trasformatore e attraverso il circuito di terminazione (Figura 3).

Il picco in modalità differenziale è diverso. La corrente fluisce nella porta GbE su una linea di segnale della coppia differenziale, attraverso il trasformatore e fuoriesce dalla porta sull'altra linea di segnale. La corrente transitoria che scorre attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore induce un picco di corrente nell'avvolgimento secondario. Una volta rimossa la sovratensione, l'energia immagazzinata nel trasformatore verrà trasferita nel punto in cui si trova il fragile GbE PHY. È questa energia trasferita che, nella migliore delle ipotesi, provoca perdita di dati e anomalie e, nella peggiore, porta a danni permanenti (Figura 4).

La Figura 4 mostra che il picco in modalità differenziale è il più pericoloso poiché è quello che espone il PHY GbE a tensioni potenzialmente dannose. È necessaria una protezione aggiuntiva sul lato secondario del trasformatore di isolamento per proteggerlo da queste sovratensioni.