Gigabit Ethernet hálózatok tranziensekkel szembeni védelme

A Gigabit Ethernet (GbE) egy robusztus, nagy sebességű kommunikációs hálózati szabvány, amelyet széleskörűen használnak a háztartási, kereskedelmi és ipari létesítményekben. Az Ethernet-rendszerek azonban nem mentesek a problémáktól, különösen, ha a hálózat az épületeken kívülre is kiterjed. A külső vezetékeket váratlan és nagy feszültségek és áramok érhetik, és az elektrosztatikus kisülések (ESD) veszélye is folyamatosan fennáll.

A GbE fizikai rétege (PHY) tartalmaz néhány olyan komponenst (például szigetelő transzformátorokat), amelyek bizonyos fokú védelmet nyújtanak. A tranziensek (feszültség- és áramimpulzusok) elleni bepített csillapító tagok azonban nem minden körülmények között nyújtanak megfelelő védelmet.
A szupresszor (TVS) diódák bevált, olcsó és robusztus áramkörvédelmi eszközök, amelyek hely- és költségkorlátozott esetekben alkalmazhatók, mint például a GbE-nél. Normál üzemi körülmények között ezen alkatrészek láthatatlanok, vagyis nem befolyásolják az áramkör működését. Ettől eltekintve azonban több kommunikációs csatorna számára kell védelmet biztosítaniuk az akár 40 A-es lökőáramok és 30 kV-os elektrosztatikus kisülések ellen, és normál üzemben a terhelő kapacitásuknak folyamatosan alacsonynak kell lennie, hogy nagy sebességű kommunikáció esetén a jelintegritás mindig biztosított legyen.
Ebben a cikkben a nagyfeszültségű tranziensek és elektrosztatikus kisülések elleni védelem megvalósításának kihívásait tárgyaljuk GbE hálózatokra vonatkozólag, majd megvizsgáljuk a többletenergia levezetésére képes egyes TVS-diódák műszaki jellemzőit. Ezután ismertetünk néhány kereskedelmi forgalomban kapható megoldást erre a problémára, majd bemutatjuk a kiválasztott tranziensvédelmi eszközök beépítési módját az IEC 61000-4-2, -4 és -5 szabványoknak megfelelően.

A lökőfeszültségekkel járó veszélyek

A GbE egy vezetékeken keresztül megvalósított nagysebességű kommunikációs rendszer. A „nullákból” és „egyesekből” álló digitális jelfolyamot alkotó differenciális jelek továbbítása réz-összekötőelemek használatával történik. A rézből készült vezetékek azonban tökéletes szállítómechanizmusai a lökőfeszültségeknek és az elektrosztatikus kisüléseknek is, amelyek károsíthatják a szilí­cium-áramköri elemeket (1. ábra).

1. ábra Védelem nélkül a GbE fizikai rétegét alkotó alkatrészeket a lökőfeszültségek és az elektrosztatikus kisülések tönkretehetik (Kép: Semtech)

 
A GbE fizikai rétege úgy van kialakítva, hogy a szigetelőtranszformátornak köszönhetően rendelkezik bizonyos fokú védelemmel. A GbE specifikációja (IEEE 802.3) legalább 2,1 kV-os szigetelési értéket ír elő, és a kereskedelmileg elérhető legtöbb transzformátor a 4-8 kV-os szigetelési értékével ennek a kritériumnak meg is felel. A GbE-interfészek továbbá általában tartalmaznak egy közös módusú fojtótekercset (CMC-t), vagyis egy induktivitást, amely a váltakozó áramú feszültség magasabb frekvenciáinak blokkolására szolgál, csökkentve az elektrosztatikus kisülések által okozott feszültségtüskék nagyságát. Az utolsó védelmi szintet a „Bob Smith” típusú lezárás jelenti. Ennek megfelelően a jelpárok egy kondenzátoron keresztül csatlakoznak a földhöz, és az áramkörben egy 75 ohmos ellenállás található az impedanciaillesztés megvalósítására. Az ilyen lezárás segíthet a későbbiekben ismertetett közös módusú túlfeszültségek levezetésében (2. ábra).

2. ábra A GbE fizikai rétege tartalmaz némi beépített védelmet a lökőfeszültségek ellen, beleértve egy szigetelő transzformátort, egy közös módusú fojtótekercset és egy ellenállásos lezáró áramkört (Kép: Semtech)

 
Ha azonban az átfogó védelem a cél, akkor kockázatos csupán a GbE fizikai rétegének szigetelő transzformátorára, a közös módusú fojtóra (CMC) és a lezáró áramkörre hagyatkozni. Bár ezen alkatrészek nyújtanak némi védelmet a lökőfeszültségekkel szemben, számos olyan eset van, amikor a csatlakozók ki vannak téve a károsodás veszélyének.
A GbE hálózatokban jelentkező lökőfeszültségek közös módusúak vagy differenciális típusúak lehetnek. Egy közös módusú lökő­feszültség esetén a GbE fizikai rétegét alkotó összes áramvezető elem a földhöz képest azonnal ugyanarra a potenciálra emelkedik. Mivel minden vezető azonos potenciálon van, nincs áramátvitel egyik vezetőről a másikra. Ehelyett az áram a földbe folyik. Az áram egy közös áramvezetési útvonalon a transzformátor középső kivezetésén és a lezáró áramkörön keresztül a földbe jut (3. ábra).

3. ábra Közös módusú tranziens esetén a lökőfeszültség által generált áram az RJ-45 csatlakozó irányából a szigetelőtranszformátor középső kivezetésén keresztül a földbe folyik (Kép: Semtech)

 
Differenciális típusú túlfeszültségek esetén más a helyzet. Az áram a differenciális pár egyik jelvonalán a GbE csatlakozóba áramlik, áthalad a transzformátoron, majd a másik jelvonalon keresztül távozik a csatlakozóból. A transzformátor primer tekercsén átfolyó tranziens áram a szekunder tekercsben lökőáramot indukál. A lökőáram megszűnése után a transzformátorban tárolt energia a GbE fizikai rétegének érzékeny elemeire vivődik át. Ez az átvitt energia legjobb esetben csupán adatvesztést és hibákat okoz, legrosszabb esetben viszont maradandó károsodáshoz vezet (4. ábra).

4. ábra A differenciális típusú túlfeszültség a szigetelőtranszformátoron keresztül áramot indukál, ami károsíthatja az érzékeny elektronikus áramköröket (Kép: Semtech)

 
A 4. ábrából látható, hogy a differenciális típusú túlfeszültségek a legveszélyesebbek, mivel ezek azok, amelyek miatt a GbE fizikai rétegének alkatrészeit potenciálisan káros feszültségek érhetik. A szigetelőtranszformátor szekunder oldalán további védelemre van szükség az ilyen típusú túlfeszültségek elleni védelemhez.

TVS-diódák használata túlfeszültség elleni védelemhez

A GbE fizikai rétegének védelméhez olyan eszközökre van szükség, amelyek a nagy energiájú tranziens impulzusok leválasztására, blokkolására vagy elnyomására képesek. Kiegészítő transzformátorokkal az Ethernet kapcsolatok elektronikai alkatrészei teljesen elszigetelhetők, viszont ezek az eszközök sok helyet foglalnak el és drágák lehetnek. Biztosítékokkal a blokkolás olcsón megoldható, de minden egyes kioldás után vissza kell állítani vagy ki kell cserélni őket. A TVS-diódák jó kompromisszumot jelentenek: a tranziens csúcsfeszültséget hatékonyan egy biztonságos szintre csökkentik, nem igényelnek visszaállítást, kompaktak és kedvező árúak.
Szerkezetüket tekintve a TVS-diódák nagy keresztmetszetű p-n átmenetű eszközök, amelyeket kifejezetten a nagy erősségű lökőáramok és lökőfeszültségek elnyelésére terveztek. Bár a TVS-diódák feszültség-áram karakterisztikája hasonló a Zener diódákéhoz, ezen előbbieket inkább feszültségcsökkentésre, mint feszültségszabályozásra tervezték. Más szupresszor eszközökkel szemben a TVS-diódák egyik legfontosabb előnye, hogy gyorsan (jellemzően nanoszekundumon belül) reagálnak a villamos tranziensekre, a tranziens energiáját biztonságosan a földbe vezetik, és ugyanakkor folyamatosan állandó szintre korlátozzák a feszültséget (clamping) (5. ábra).

5. ábra A TVS-dióda alacsony impedanciájú utat biztosít a föld felé a küszöbértékét túllépő lökőfeszültség esetén. Ennek eredményeképpen a védett áramkör csak biztonságos szintű feszültségnek van kitéve (Kép: Semtech)

 
Normál működés közben a TVS-dióda egy nagy impedanciájú elem az áramkörben addig, amíg a feszültség el nem éri a dióda üzemi feszültségét (V_RWM). Amikor az eszköz kapcsain lévő feszültség meghaladja az átütési feszültséget (V_BR), a dióda p-n átmenetében a lavina-effektus hatására átütés következik be, aminek következtében a dióda feszültsége „visszaugrik” (snap-back), vagyis egy alacsony impedanciájú bekapcsolt állapotba kerül. A feszültséget ez egy korlátozott „clamped” szintre csökkenti (V_C), miközben az impulzusszerű tranziens áram (I_PP) átfolyik az eszközön. A maximális feszültség, amelynek a védett áramkör ki van téve, egyenlő a jellemzően csupán szerény V_C-vel. Amint az áramerősség a tartóáram (I_H) értéke alá csökken, a TVS-dióda visszatér a nagy impedanciájú kikapcsolt állapotba (6. ábra és 1. táblázat).

6. ábra A TVS diódák jelleggörbéje. Az átütési feszültség elérésekor az alkatrész alacsony impedanciájú bekapcsolt állapotba kerül, és a tranziens lefolyása során a feszültséget egy biztonságos szintre korlátozza (Kép: Semtech)

1. táblázat A 6. ábrán látható paraméterek meghatározása (Táblázat: Semtech)

A neves gyártók saját TVS-diódáikat úgy tervezik, hogy védelmet biztosítsanak az interfészek számára, ugyanakkor megfeleljenek többek között a következő szigorú immunitási szabványoknak is: IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) és IEC 61000-4-5 (villámlás).
Az IEC 61000-4-5 definiálja a lökőfeszültséggel szembeni zavartűrés vizsgálatának módját, és részletesen ismerteti azt a tipikus túlfeszültség-hullámformát, amelyet a TVS-diódák képességeinek meghatározására használnak. A hullámforma egy közvetett villámcsapást szimulál. Az áram a csúcsértékének (tp) 90 százalékát 8 µs alatt éri el, majd az áramerősség 20 µs alatt a csúcsérték 50 százalékára csökken. Az adatlapok gyakran „8/20 µs hullámformaként” hivatkoznak erre, és részletesen megadják a hullámforma maximális csúcsponti áramát (I_PP), amelyet a védelmi eszköz még elvisel. Az adatlapok továbbá szintén jellemzően részletezik az adott eszköz válaszát közvetett villámcsapás hatására bekövetkező 1,2/50 µs-os hullámforma esetére vonatkozólag is (lökőfeszültség, amely 1,2 µs alatt éri el a csúcsfeszültséget, és 50 µs alatt a csúcsérték 50 százalékára csökken).
A TVS-diódák másik kulcsfontosságú védelmi jellemzője az elektrosztatikus kisüléssel szembeni tűrési feszültségük. Ez az a maximális feszültség, amelyet elektrosztatikus kisülés esetén a védőeszköz károsodás nélkül elvisel, és jellemzően több-tíz kV-os nagyságrendű.

TVS diódák a GbE fizikai rétegének védelméhez

A GbE-n kívül a TVS-diódák számos interfész, köztük a HDMI, az USB Type-C, az RS-485 és a DisplayPort védelmére is használhatók, de ezen csatlakozási felületek mindegyike egymástól finoman eltérő szintű védelmet igényel. Ezért fontos mindig az adott felhasználási esetnek megfelelő TVS-diódát használni.
A Semtech például számos TVS-diódát gyárt GbE-interfészek védelmére. Az eszközök gyártása olyan eljárással történik, amely a Semtech szerint csökkentett szivárgási áramot és kapacitást biztosít a többi szilícium lavinadióda-gyártási eljáráshoz képest.
A termékcsalád további előnye típustól függően a 3,3 és 5 V közötti alacsony üzemi feszültség, ami energiatakarékos használatot tesz lehetővé.
A RailClamp sorozat például tartalmazza a 2,5 GbE interfészek védelmére alkalmas RCLAMP0512TQTCT-t. Az eszköz I_PP értéke 20 A (tp = 8/20 és 1,2/50 µs) impulzus-csúcsteljesítménye pedig (P_PK) 170 W. Az elektrosztatikus kisülésekkel szembeni ellenállósága +/-30 kV, a V_BR értéke 9,2 V (tipikus), az I_H 150 mA (tipikus), a V_C pedig tipikusan 5 V maximálisan pedig 8,5 V (7. ábra).

7. ábra Az RCLAMP0512TQTCT feszültségkorlátozó jelleggörbéje 1,2/50 µs-os lökőfeszültségre és 8/20 µs-os lökőáramra vonatkozólag 20 A csúcsértékű injektált áram esetén. Egy rövid ideig tartó csúcsérték után a korlátozó feszültség 5 V alá csökken, megvédve a GbE fizikai rétegét (Kép: Semtech)

 
Az RCLAMP0512TQ egy kompakt eszköz, 1,0 × 0,6 × 0,4 milliméter méretű 3 tűs SGP1006N3T tokozásban.
A Semtech RailClamp sorozatban vannak más termékek is, amelyek nagyobb védelmet nyújtanak a potenciálisan veszélyesebb helyzetekben használt 1 GbE rendszerek számára. Az RCLAMP3374N.TCT I_PP értéke például 40 A (tp = 8/20 és 1,2/50 µs), P_PK értéke pedig 1 kW. Az elektrosztatikus kisülésekkel szembeni ellenállósága +/-30 kV, a VC értéke 25 V (max.) I_PP = 40 A mellett. Mérete 3,0 × 2,0 × 0,60 mm.
A RailClamp termékcsalád középkategóriás alkatrésze az RCLAMP3354S.TCT, amely az 1 GbE szabványú rendszerek védelemére alkalmas, 25 A I_PP (tp = 8/20 és 1,2/50 µs) és 400 W P_PK értékekkel. Az elektrosztatikus kisülésekkel szembeni ellenállósága +/-30 kV, I_PP = 25 A mellett 16 V (max.) V_C értékkel.

TVS-diódás védelem beépítése

A 8. ábrán egy megoldás látható a GbE fizikai rétegének védelmére az RCLAMP0512TQTCT használatával. Az eszközök a transzformátor fizikai réteg oldalán helyezkednek el, biztosítva a differenciális típusú túlfeszültségek elleni védelmet, minden egyes Ethernet vonalpárra kapcsolt védelmi eszközzel. Az Ethernet hálózat differenciálpárjai a megfelelő TVS diódák 1. és 2. kivezetésére vannak kötve, szabadon hagyott 3. érintkezővel.

8. ábra A TVS diódákból álló védőalkatrészek az Ethernet fizikai rétegében található transzformá­torok felőli oldalon vannak elhelyezve úgy, hogy mindegyik differenciális vonalpár tartalmaz egyet, a lehető legközelebb a fizikai réteg mágneseihez (Kép: Semtech)

A védelmi útvonalban a mérnöknek korlátoznia kell a parazita­induktivitást azáltal, hogy a védőalkatrészeket fizikailag a lehető legközelebb helyezi el a fizikai réteg mágneseihez, lehetőleg a nyomtatott áramköri lap ugyanazon oldalán. Az is segít, ha a földelések közvetlenül a nyomtatott áramköri lap földsíkjához csatlakoznak mikroméretű viákon keresztül.
A parazitainduktivitás csökkentése különösen a gyors felfutási idejű tranziensek elnyomása szempontjából fontos. A védőeszköz útvonalán lévő induktivitás növeli a védett eszköz által elszenvedett V_C-t, amely arányos az útvonal induktivitásának és a tranziens alatti áramváltozás sebességének a szorzatával. Például egy mindössze 1 nH induktivitású útvonal 30 V-tal növelheti a V_C csúcsértékét egy 1 ns felfutási idejű 30 A-es áramerősségű elektrosztatikus kisülés esetén.
Figyelembe kell venni, hogy a kiválasztott Ethernet-transzformátornak meghibásodás nélkül kell túlélnie a várható túlfeszültségeket. Egy tipikus Ethernet-transzformátor akár néhány száz amperes terhelést (tp = 8/20 µs) is képes elviselni mielőtt meghibásodna, de ezt teszteléssel kell igazolni. Alternatív megoldásként, ha a transzformátor túlfeszültséggel szembeni ellenállósága tekintetében kétségek merülnek fel, a védőelem a transzformátor hálózati oldalán is elhelyezhető. Ennek hátránya viszont az, hogy a transzformátor által nyújtott többletvédelem elveszik, és a GbE-rendszer nagy energiájú túlfeszültségekkel szembeni ellenálló képessége csak a védelmi eszköz képességére korlátozódik.

Összegzés

A GbE megbízható és széleskörűen elterjedt nagysebességű kommunikációs szabvány, de mint minden vezetékes hálózati rendszer ez is ki van téve a különböző fizikai jelenségek, például a villámlások és az elektrosztatikus kisülések által okozott átmeneti túláramok és túlfeszültségek hatásainak. Az ilyen impulzusszerű túlterheléseket a GbE csatlakozóaljzatában lévő transzformátor, közös módusú fojtótekercs és lezáró áramkör bizonyos mértékig csillapítani tudja, de a differenciális típusú túlfeszültségek megkerülhetik ezt a csillapítást, és károsíthatják az Ethernet fizikai rétegét. A kritikus rendszerek esetében további védelem ajánlott.
Jó választás TVS-diódákat használni ilyen esetekben, mivel a tranziens csúcsfeszültségét hatékonyan egy biztonságos szintre csökkentik, nem igényelnek visszaállítást, valamint kompaktak és kedvező az áruk. Ajánlott mindig az adott rendszerhez megfelelő védőalkatrészt választani, mivel széleskörűen különböző képességű komponensek állnak rendelkezésre, beleértve az elviselhető csúcsáramra vonatkozó eltérő értékeket is. Ezenkívül ajánlott a helyes tervezési irányelvek betartása, például az alkatrészek megfelelő elhelyezésére és földelésére ahhoz, hogy a TVS-dióda által nyújtott védelem a lehető legjobb legyen.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey

DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn, Application Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.