以太網接口ESD/浪涌保護電路設計

敖 奇

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

以太網接口已越來越廣泛地應用于鐵路通信信號設備中。隨著通信速率的提高，集成芯片對靜電放電（ESD）、電纜放電（CDE）事件、浪涌等干擾變得敏感易損壞，如不加以防護，設備的可靠性將受到影響。因此應對各種干擾的形成原因及其特點進行分析，并通過對保護器件的對比選擇，以設計出合理的以太網接口保護電路，提高設備的可靠性。

2 干擾形式

2.1 ESD干擾

ESD即靜電放電。根據ESD來源的不同，其模型可分為人體模型（HBM）、被充電器件模型（CDM）和機器模型（MM）。對于以太網接口而言，ESD主要發生在操作人員接觸以太網接口時。人體已積累的靜電電荷會通過以太網接口進行泄放，從而發生ESD事件。因此以太網接口的ESD防護是以防人體靜電為主。

IEC61000-4-2采用的ESD人體模型為150?pF電容上積累的電荷通過330?Ω串聯電阻向外泄放。該模型放電時的電流脈沖波形如圖1所示。可以看出該波形在700?ps到1?ns內便達到峰值，并且整個波形僅持續60?ns，因此，其能量較小但高頻威脅較大。IEC61000-4-2中關于ESD試驗等級的劃分如表1所示，其中試驗等級4僅在極其干燥的環境下考慮。表1中試驗電壓包括正負兩種電壓，一般而言，在相同試驗等級下，接觸放電對以太網接口的危害更大。

表1 IEC61000-4-2 ESD試驗等級

2.2 CDE干擾

CDE現象在以太網環境中普遍存在。網線相當于是可以存儲電荷的容性元件，并且其電容值會隨著網線長度的變長而增加。在發生摩擦效應（如在管道中拖拉網線）或電磁感應效應（如被鄰近牽引電纜干擾）時，兩端懸空的以太網線（尤其是非屏蔽以太網線）會被充電。由于5類、6類網線具有低漏電流的特點，因此電荷可在網線上存儲數個小時到數十個小時。當一個充了電的網線被插入到RJ-45端口時，瞬態電流會選擇最低阻抗路徑泄放，從而形成CDE事件。

以太網線具有低電阻性高容性的特點，因此CDE波形不同于人體模型的ESD波形。CDE波形一般具有快速上升沿，并伴隨有極性反轉的振蕩現象。CDE波形參數會隨著以太網線的特性（如長度）及環境（溫度、濕度）的不同而改變。文獻[1]給出的7.6?m長的5類網線CDE波形僅持續600?ns，而另一文獻[2]中100?m長的5類網線CDE波形則持續達15?μs。由于網線的容性特性，線纜越長，則振蕩頻率越低，線纜越短，則振蕩頻率越高。

由于CDE形成環境的復雜性及缺乏足夠的實驗數據，目前還沒有任何一個標準對CDE進行建模描述，電信工業協會（TIA）推薦采用IEC61000-4-2標準考慮CDE影響[3]。當網線長度超過60?m時，安裝網線時應當額外注意CDE的影響[1]。

2.3 浪涌干擾

以太網接口設計中考慮的浪涌是以太網線受其周圍高壓電纜的電磁干擾而產生的。由于網線高度平衡的雙絞線制作方法，因此僅需考慮共模干擾即可。

相對于ESD干擾而言，浪涌電壓是一個“慢信號”，其脈沖上升時間在μs量級。在相同幅值下，由于脈沖持續時間較長，浪涌的能量要比ESD大得多。IEC61000-4-5用組合波來描述浪涌脈沖，即同一發生器可以產生1.2/50?μs的電壓波（發生器輸出為開路）和8/20?μs的電流波（發生器輸出為短路），如圖2、3所示。IEC61000-4-5中規定的浪涌試驗等級如表2所示，室內應用環境下不需做等級4試驗。表中試驗電壓包括正負兩種電壓。對于以太網這種高度平衡線而言，不需要做線—線試驗（即差模試驗）。

表2 IEC61000-4-5浪涌試驗等級

3 保護器件對比

3.1 氣體放電管

氣體放電管一般采用陶瓷作為封裝外殼，放電管極間充滿電氣特性穩定的惰性氣體。當外加電壓增加到超過惰性氣體的絕緣強度時，兩極間的間隙將擊穿放電，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，從而保護后續電路。導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平上。

優點：具有很強的電流吸收能力，即放電能力強、通流量大。具有很高的絕緣電阻以及很小的寄生電容，漏電流小。

缺點：殘壓高，反應時間長，動作電壓精度較低。氣體放電管還有一個缺點是有續流問題，但由于以太網工作電壓低（小于5?V），因此不會導致氣體放電管發生續流。

3.2 壓敏電阻

當施加在壓敏電阻兩端的電壓小于箝位電壓時，壓敏電阻呈高阻狀態。當施加在壓敏電阻兩端的電壓大于箝位電壓時，壓敏電阻就會擊穿，呈現低阻值，甚至接近短路狀態。壓敏電阻這種被擊穿狀態是可以恢復的，當高于箝位電壓的電壓被撤銷后，又可恢復高阻狀態。

優點：箝位電壓范圍寬，反應速度快，通流量大，無續流。

缺點：結電容較大，許多情況下不在高頻率信息傳輸中使用。該電容又與導線電容構成一個低通，會造成信號的嚴重衰減。頻率低于30?kHz時，這種衰減可以忽略。

3.3 TVS管

瞬態抑制二極管簡稱TVS管，在規定的反向電壓作用下，TVS管兩端電壓大于箝位電壓時，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流通過，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效保護末端電子產品中的精密元件避免損壞。雙向TVS管可在正反兩個方向吸收瞬時大脈動功率，并把電壓鉗制在預定水平。

優點：動作時間極快，達到ps范圍。箝位電壓低。

缺點：電流負荷量小。根據工藝的不同，部分TVS管的結電容相當高。

氣體放電管、壓敏電阻、TVS管的性能特點對比如表3所示。

表3 氣體放電管、壓敏電阻、TVS管性能特點對比

4 以太網接口保護電路設計

ESD防護對保護電路的響應時間要求比較苛刻，保護電路至少應在ns量級的時間內啟動對后續電路的保護。

浪涌防護對保護電路的浪涌電流吸收能力要求較高。在試驗等級為3級時，由于試驗設備的內阻為42?Ω，保護電路至少應具備吸收48?A浪涌電流的能力。

CDE脈沖具有ESD的快速上升時間，TIA也推薦對其參照IEC61000-4-2進行考慮。考慮到CDE脈沖可能會持續時間長、能量大，因此，保護電路對CDE的浪涌電流吸收應按照IEC61000-4-5進行設計。盡管IEC61000-4-5標準不要求對高度平衡線纜進行差模試驗，但考慮到CDE同時具有共模、差模影響，保護電路在差模保護能力上也要達到表2要求。

保護電路必須將干擾電壓限制到10?V以內，以免對以太網物理芯片造成損壞。

為了避免對正常的高速通信產生影響，保護電路選用器件的結電容必須小于10?pF。

通過對保護器件的分析可以看出，沒有哪種單一保護器件可以勝任對以太網接口的防護。氣體放電管的響應速度太慢，殘壓太大。壓敏電阻高的結電容導致其不可能直接并聯在以太網通信線上使用。TVS管的浪涌電流吸收能力較差，盡管好的TVS管可以達到100?A的浪涌吸收能力，但浪涌保護的裕度太小。

基于上述考慮，本文設計了圖4所示的兩級防護電路。第一級采用貼片三極氣體放電管，第二級采用低結電容的雙向TVS管。該電路可對正負極性的共模/差模干擾進行防護。當一個干擾脈沖通過保護電路時，TVS管會先產生動作，將干擾脈沖鉗制在限定電壓范圍內。干擾電壓進一步增加后氣體放電管會導通，并吸收干擾脈沖大部分的能量。串聯電阻應選取電阻大于2?Ω、功率大于2?W的電阻。若無此電阻，則氣體放電管無法導通，從而無法達到兩極防護的效果。

該電路同時具備TVS管響應速度快、箝位電壓低的特點，并具備氣體放電管良好的浪涌電流吸收能力。

通過試驗驗證，該保護電路可在IEC61000-4-2?等級3、IEC61000-4-5等級3試驗條件下，保護以太網接口不受損壞。

5 總結

本文通過分析以太網接口可能受到的各種干擾的形成原因及其干擾特點，比較幾種常用的防護器件的特點，繼而設計了一種以太網接口ESD/浪涌保護電路。該電路可以在IEC61000-4-2等級3、IEC61000-4-5等級3試驗規定的干擾下，保護后續電路不受損壞，從而可提高設備的可靠性。

[1] Cable Discharge Event in the Local Area Network Environment,White Paper, Intel Order Number 249812-001[S].2001.

[2] ESD Association.Cable Discharge Events（Part I）What is a CDE[S].2009.

[3] ESD Association.Cable Discharge Events（Part I）CDEs Place in Testing[S].2009.