TVS二极管阵列在10GbE/1GbE 及 PoE应用中的设计保护方案

以太网是一种依据IEEE 802.3标准的局域网（LAN）技术。如今，市场上已经出现了四种主要形式的有线接入以太网，其它类型还在开发中。这四种主要形式是：

• 10Base-T (10 Mbps, 带宽信号，双绞线)
• 100Base-T (100 Mbps, 带宽信号，双绞线)
• 1000Base-T or 1GbE (1000 Mbps, 带宽信号，双绞线)
• 10GbE (10 Gbps, 带宽信号，双绞线)

过电压冲击和过电流威胁

以太网正越来越多地用在容易遭受过电压的危险场合，例如静电释放（ESD）、群脉冲（EFT）、电缆放电（CDE）以及雷击感应事件。这些过电压和过电流事故在各种工业标准中均作了定义，例如：

• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-4 EFT
• IEC 61000-4-5 雷击感应浪涌
• GR-1089-CORE Issue 6 (符合NEBS的美国相关耐受水平)
• ITU K.20/21/45 (符合全球要求的推荐标准)
• IEEE 802.3 (以太网要求)
• UL/EN/IEC 60950-1 安全标准

10GbE和1GbE版本的以太网对于任何线路负载的增加都十分敏感；因此任何保护元件和电路都必须仔细考虑以避免降低以太网固有的数据高传输率和100米传输极限。

方案

Littelfuse的SP4044和SP4045系列TVS（暂态电压抑制器）二极管阵列（图1）给电路设计者提供了针对10GbE或1GbE接口的小型化SMT（表面安装技术）MSOP-10封装的过电压保护方案。

这些元件结合了无负载状态低结电容与高抗浪涌能力的低动态阻抗的优点。低关断结电容减小了有用信号的负面效应，低动态阻抗比其它的工业级保护方案具有更好的箝位值，超强的抗浪涌能力实现了第三级保护，这符合世界上大多数抗浪涌标准的要求。

图1：Littelfuse的SP4044 & SP4045系列TVS二极管阵列(SPA® {硅保护阵列} 二极管)

SP4044-04ATG（用于以太网，其PHY参考电压≤2.8V）和SP4045-04ATG（用于以太网，其PHY参考电压≤3.3V）均可提供无需连通柱的穿通式的方案。这样就能简化印刷线路板的布线过程并减少印刷线路板上对连通柱导致的电磁干扰（EMI）的担心。连通柱会引起线路的平衡问题并导致辐射能量的增大，从而在运行中可能超过允许的电磁干扰EMI辐射水平。这些印刷线路板的连通柱还会引起损坏原始信号的信号反射，导致数据传输速率和距离的降低。这些连通柱还会因为在保护元件与受保护回路间增加的压降而降低了电路保护元件的有效性。

这两种过电压保护元件的关态电容为1.5pF，其基于8/20μs冲击电流波形（图2）的抗浪涌能力是24A。这样的关态电容与10GbE和1GbE宽带信号均匹配且不会导致“眼”图（图3）闭合。眼图是一种描述保护回路负载效应对以太网信号完整性影响的测试方法。这种测试要重复地对数字信号取样并在示波器上显示获得的眼图。从下面的眼图中可见通常用掩码来描述允许的信号质量和匹配度。这种“眼”图是一种测量以太网信号完整性的方法。

图2：电流冲击的波形

图3：眼图

图4：使用两组SP4045-04ATG TVS二极管阵列且符合PHY电压≤3.3V以太网的保护方案

图4展示了一种符合所列标准中浪涌电压威胁章节要求的全面方案。在原理图的右侧，靠近以太网PHY（物理层器件）的地方，注意有两个SP4045-04ATG箝位元件。系统里需要有两个这种穿通型元件，因为10GbE和1GbE版本的以太网要用到全部8根CAT5e信号线。利用隔离变压器会饱和的特性及其绕组间的电容参数来限制任何冲击能量的耦合去提供第一层的保护。任何能突破变压器阻挡的浪涌能量由SP4045-04ATG来限制，确保敏感的以太网PHY集成电路受到保护。（如果以太网PHY电压≤2.8V，那么可以用SP4044-04ATG来替代SP4045-04ATG）。

最好方案是用箝位元件，其关断电压要尽可能地接近（或大于）以太网PHY Vcc电平。SP4044-04ATG/SP4045-04ATG TVS 二极管阵列 (0.220 Ω/0.3Ω)的低动态阻抗能比其它工业级保护元件提供更好地箝位动作，确保对以太网PHY的高效保护。这些TVS二极管阵列给以太网PHY提供了差模保护和共模保护。TVS接地必须与以太网PHY的接地一样。

为实现全面的以太网解决方案，设计者常常需要针对有源以太网（PoE）进行保护和过流安全保护。中心抽头方案是实现传输与接收保护的有源以太网的方法。SMDJ58CA是一种用于这些中心抽头连接的双向TVS二极管，因此就不需要额外的极性保护（二极管电桥）。针对浪涌冲击要求较低且成本也较低的，可以考虑使用SMAJ58CA、SMBJ58CA、或SMCJ58CA。供电设备（PSE）末端只需要一个双向TVS二极管，因为其模式是已知的。然而，取电的器件（PD）末端必须同时保护模式A和模式B的PoE（也称之为选项A和选项B），所以需要两个双向TVS元件。如果不采用PoE，那么可以去掉两个100nF的电容器和两个SMDJ58CA元件。

04611.25型TeleLink熔丝(F1-F8)能提供满足GR-1089版本6、UL/EN/IEC 60950- 1和ITU K20/21/45基础及加强版要求的过电流保护。对于10GbE和1GbE的连接，推荐在每根接线上都使用TeleLink熔丝，而不是只在每对数据线中的一根接线上使用一个熔丝。这有助于在这些高速接口间保持线路平衡。熔丝有固有的电感值：因此在每条接线上必须装一个熔丝来保持每对线路的差动分平衡。

本应用笔记回顾了一个用于以太网接口的完整保护方案。提到了：
1) 雷击浪涌
2) ESD
3) CDE
4) EFT
5) 电源故障事件

本应用指导首先专注于通过低电容的箝位TVS二极管阵列方案(SP4044/4045-04)来解决以太网数据接口面临的ESD/EFT/CDE/雷击感应浪涌。文中还探讨了中心抽头连接的PoE接口所面临的潜在问题并提供了基于DO214 SMT SMXJ58CA和SMxJ58A的解决方案。与最终安全相关的过电流问题通过使用TeleLink熔丝来加以阐明，它可以在电源故障发生时保护双绞线。Littelfuse在全球的实验室都有能力帮助我们的客户来设计出符合世界标准、规则和推荐意见的合适的保护方案。

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