כיצד לשלב בתכנון דיודות TVS כדי להגן על Gigabit Ethernet מפני טרנזיינטים של מתח וזרם

Gigabit Ethernet‏ (GbE) היא מערכת תקשורת מהירות-גבוהה, איתנה, בשימוש נפוץ לרוחב מתחמים תעשייתיים, מסחריים וביתיים. עם זאת, מערכות Ethernet‏ כן מציגות אתגרים, במיוחד כשחיבוריות נפרשת מעבר לבנין. קווים ארוכים יכולים להיות נתונים למתחים וזרמים טרנזיינטיים גבוהים ברמות בלתי-צפויות, ופריקות אלקטרוסטטיות (ESD)‏ מהוות סיכון מתמשך.

השכבה הפיזית (PHY)‏ GbE כוללת רכיבים מסוימים המספקים רמה מסוימת של הגנה, כמו שנאי הבידוד. אך לא ניתן לסמוך על מיתון מתח הטרנזיינט המובנה שיציע הגנה בכל הנסיבות.

דיודות דיכוי מתח טרנזיינטי הן התקני הגנת מעגל חסונים, מוכחים ולא יקרים, ביישומים מוגבלים במקום ובתקציב כגון GbE. בתנאי עבודה רגילים, ההתקנים מופיעים כשקופים. עדיין, ההתקנים חייבים להגן על ערוצי תקשורת מרובים מפני זרמי נחשול של עד 40 אמפר (A‏)‏ ופריקות אלקטרוסטטיות (ESD)‏ של עד 30 קילו-וולט (kV‏‏), ולשמור על קיבוליות עומס נמוכה בשימוש נורמלי כדי להבטיח שלמות אות (Signal Integrity) מהירות-גבוהה.

מאמר זה מתאר את אתגרי התכנון המוצגים על ידי הגנות מפני ESD וטרנזיינט מתח-גבוה GbE,‏ ואחר כך לוקח בחשבון את המאפיינים הייחודיים הדרושים לדיודות TVS עבור דיכוי אנרגיה. אחר כך המאמר מתאר מספר פתרונות מסחריים לבעיה לפני שמראה כיצד לתכנן את ההתקנים הנבחרים בתוך מערכות עבור הגנת טרנזיינט לפי תקנים כמו IEC61000-4-2‏, 4- ו-5-.

הסכנות הטמונות בהשפעות מתח טרנזיינטי

GbE‏ היא מערכת תקשורת חוטית מהירות-גבוהה. חיבורי נחושת נושאים את האותות ההפרשיים המייצגים את רמות ה“אפס” וה“אחד” המרכיבות את זרם האות הדיגיטלי. עם זאת, חוט נחושת זה הוא גם מנגנון ההובלה המושלם עבור מתחים טרנזיינטיים גבוהים וארועי ESD העלולים לגרום נזק לרכיבי סיליקון של המעגל (איור 1‏).

איור 1‏: ללא הגנה, שכבות פיזיות (PHY)‏ GbE עלולות לההרס על ידי מתחי טרנזיינט גבוהים ו-ESD (מקור תמונה: Semtech)

התכנון של ה-GbE PHY כולל דרגה מסוימת של הגנה באמצעות שנאי הבידוד. מפרט ה-GbE‏ (IEEE 802.3) קורא לדרגת בידוד מינימלית של 2.1‎ kV‏‏. מרבית השנאיים המסחריים מציעים בידוד של 4 עד kV‏ 8‏. יתר על כן, ממשקי GbE‏ בדרך כלל כוללים‏ משנק אות-משותף (CMC‏), משרן המשמש לחסימת AC תדר-גבוה-יותר כדי לסייע בהקטנת ספייקים של ESD. דרגה סופית של הגנה באה מסיום ה-‏“BOB Smith”. זה משתמש בנגד של‏ 75-אוהם (Ω‏) כדי לממש תאום עכבות אות-משותף עבור זוגות אות המחוברים יחדיו להארקה דרך קבל. הסיום יכול לעזור להפחית את פליטות האות-המשותף הנדון בהמשך (איור 2‏).

איור 2: השכבה הפיזית GbE‏ כוללת הגנה מובנית מסוימת מפני מתחים טרנזיינטיים, כולל שנאי בידוד, משנק אות-משותף ומעגל סיום עשוי נגדים. (מקור תמונה: Semtech)

להסתמך פשוט על שנאי הבידוד GbE PHY, ה-CMC‏ ומעגל הסיום עבור הגנה מקיפה הינו מסוכן. בעוד הרכיבים מציעים מיתון מסוים של מתח טרנזיינטי, ישנן מספר נסיבות המשאירות את נקודת-החיבור חשופה לנזק.

חריגות מתח טרנזיינטי GbE‏ ניתנות לסיווג כהיותן מטבען מסוג אות-משותף (common-mode) או מסוג אות-הפרשי (differential-mode). במהלך טרנזיינט‏ מתח אות-משותף, כל מוליכי ה-GbE PHY עולים רגעית לאותו המתח ביחס להארקה. בגלל שכל המוליכים נמצאים באותו הפוטנציאל, אין העברת זרם ממוליך אחד לשני. במקום זה, זרם זורם אל הארקה. ‏מסלול שכיח לזרימת זרם הוא דרך המוליך להארקה דרך המסעף האמצעי של השנאי ודרך מעגל הסיום (איור 3‏).

איור 3: זרם אות-משותף של מתח טרנזיינטי גבוה זורם דרך מחבר ה-RJ-45 להארקה דרך המסעף האמצעי של שנאי הבידוד. (מקור תמונה: Semtech)

נחשול האות-ההפרשי הוא שונה. זרם זורם אל תוך נקודת החיבור GbE‏ על קו אות אחד של הזוג ההפרשי, דרך השנאי, וחזרה החוצה מנקודת-החיבור על קו האות האחר. הזרם הטרנזיינטי הזורם דרך הליפוף הראשוני של השנאי משרה נחשול זרם בליפוף השניוני. עם הסרת הנחשול, האנרגיה השמורה בשנאי תעבור להיכן שה-GbE PHY העדינה ממוקמת. אנרגיה מועברת זו היא הגורמת במקרה הטוב לאיבוד נתונים ושיבושי glitch, ובמקרה הרע ביותר לנזק קבוע (איור 4‏).

איור 4: נחשול אות-הפרשי משרה זרם בשנאי הבידוד העלול להזיק למעגלים אלקטרוניים רגישים.. (מקור תמונה: Semtech)

איור 4‏ מראה שנחשול האות-ההפרשי הוא המסוכן ביותר מאחר והוא החושף את ה-GbE PHY למתחים מזיקים פוטנציאלית. דרושה הגנה נוספת בצד השניוני של שנאי הבידוד כדי להגן מפני נחשולים אלו.

שימוש בדיודות TVS עבור הגנה מפני נחשול

הגנת ה-GbE PHY‏ דורשת התקנים היכולים לבודד, לחסום או לדכא את הפולסים הגדולים של אנרגיית טרנזיינט. שנאים נוספים יכולים לבודד לחלוטין אלקטרוניקת Ethernet‏ אך הם מגושמים ויכולים להיות יקרים. נתיכים הם שיטה לא יקרה של חסימה אך חייבים לעבור איפוס או החלפה לאחר כל ארוע ‏הפעלה. דיודות TVS הן פשרה טובה; הן למעשה משככות את מתח השיא הטרנזיינטי לרמה‏ בטוחה, אינן דורשות איפוס, הן קומפקטיות ומחירן סביר.

מבחינת מבנה, דיודת TVS היא התקן p-n המתוכנן במיוחד עם שטח חתך-רוחב צומת‏ גדול כדי לספוג זרמי ומתחי טרנזיינט גבוהים. בעוד מאפייני המתח/זרם של דיודות TVS דומות למאפייני דיודת‏ זנר (Zener), ההתקנים מתוכננים עבור דיכוי מתח להבדיל מייצוב מתח. יתרון ‏מפתח של דיודת TVS הוא תגובתה המהירה (בדרך כלל תוך ננו-שניות) לטרנזיינטים חשמליים, הטייה בטוחה של אנרגיית הטרנזיינט להארקה תוך שמירה על מתח "הידוק" קבוע, לעומת התקני דיכוי אחרים (איור 5‏).

איור 5: דיודת TVS מספקת מסלול עכבה-נמוכה להארקה עבור מתחי טרנזיינט מעל רמת סף. כתוצאה מכך, המעגל המוגן נתון למתח בטוח בלבד. (מקור תמונה: Semtech)

במהלך עבודה רגילה, דיודת ה-TVS מהווה עכבה גבוהה למעגל עבור מתחים עד למתח העבודה שלה (V_RWM). כשהמתח על פני הדקי ההתקן עולה מעל מתח הפריצה (V_BR), קורית פריצת מפולת בצומת הדיודה הגורמת לה ל-“snap-back” או לעבור למצב-מופעל עכבה-נמוכה. זה מוריד את המתח לרמה‏ מהודקת (V_C) כשזרם פולס השיא הטרנזיינטי (I_PP) זורם דרך ההתקן. המתח המקסימלי לו נתון המעגל המוגן שווה ל-V_C והוא בדרך כלל קטן. ברגע שהזרם יורד מתחת לזרם האחזקה (I_H), דיודת ה-TVS חוזרת למצב-מושבת עכבה-גבוהה (איור 6‏ וטבלה 1‏).

איור 6‏: מאפיין העבודה של דיודת TVS. במתח הפריצה, הרכיב עובר למצב-מופעל עכבה-נמוכה ומנמיך את המתח לרמה מהודקת בטוחה כשזרם השיא הטרנזיינטי עובר.‏ (מקור תמונה: Semtech)

טבלה 1‏ - הגדרות פרמטרים עבור איור 6. (מקור טבלה: Semtech‏)

דיודות TVS מיצרנים בעלי מוניטין מתוכננות להגן על ממשקים תוך עמידה בתקני חסינות מחמירים המפורטים במסמכים כמו IEC61000-4-2‏ (ESD),‏ IEC 61000-4-4‏ (EFT‏) ו-IEC 61000-4-5 (ברק).

IEC 61000-4-5, שמציין כיצד לבדוק חסינות נחשולים, מספק פרטים על צורת-גל נחשול אופיינית המשמשת לקביעת יכולת של דיודת TVS. צורת-הגל מדמה מכת ברק בלתי ישירה ‏ומגיעה ל-%‏90‏ מערך זרם השיא שלה (tp) ב-8 מיקרו-שניות (µs‏) ודועכת ל-50 אחוז מערך השיא שלה ב-‏‎20 µs‏. גיליונות נתונים לרוב מתייחסים לזה כ“‏צורת-גל 8/20‎ µs”, ומספקים פרטים על זרם פולס שיא מקסימלי (I_PP) של צורת הגל בו התקן ההגנה יכול לעמוד. גיליונות נתונים גם מפרטים בדרך כלל את תגובת המוצר לצורת גל המתח הקשורה הנגרמת על ידי מכת ברק בלתי ישירה של 1.2/50‎ µs‏ (‏נחשול טרנזיינטי המגיע למתח השיא שלו ב-1.2‎ µs‏ ודועך ל-50 אחוז מערך השיא שלו ב-‎50 µs‏).

מאפיין הגנה חשוב אחר של דיודת TVS הוא “מתח הפריצה ESD” שלה. זהו מתח הפריקה האלקטרו-סטטית המקסימלי בו יכול לעמוד התקן ההגנה ללא נזק והוא בדרך כלל מסדר גודל של עשרות kV‏‏.

דיודות TVS עבור הגנת GbE PHY

בנוסף ל-GbE‏, קיימות דיודות TVS עבור ההגנה על מגוון ממשקים, כולל ‏HDMI‏, USB Type-C‏, RS-485‏ ו-DisplayPort‏. אך כל אחד מהממשקים האלה דורש רמות הגנה שונות במקצת. לכן חשוב שדיודת ה-TVS תהיה מתוכננת עבור יישום ספציפי.

Semtech‏, לדוגמה, מיצרת‏ מגוון דיודות TVS המיועדות להגנת ממשק GbE. ההתקנים מיוצרים תוך שימוש בטכנולוגיית תהליך שלדברי Semtech‏ תוצאתה היא הקטנת זרם נחשול וקיבוליות בהשוואה לתהליכי דיודת מפולת-סיליקון אחרים. יתרון נוסף של תחום המוצרים הוא שהוא מתאפיין במתח עבודה נמוך מ-3.3 עד ‏5‏ וולט (בתלוי בגירסה) כדי לחסוך אנרגיה.

לדוגמה, סדרת ה-RailClamp כוללת את ה-RCLAMP0512TQTCT, שמתאימה עבור הגנת ממשק 2.5‎ GbE. התקן זה מתאפיין ביכולת I_PP של ‏20‏ אמפר (A‏) ‏(tp ‏= 8/20 ו-1.2/50‎ µs) והספק פולס שיא (P_PK) של 170 ואט‏. מתח הפריצה ESD הוא 30‎ kV-/+. ה-V_BR הוא 9.2 וולט (אופייני), I_H הוא 150 מילי-אמפר (mA‏‏) (אופייני), ו-V_C הוא ‏5‏ וולט אופייני ו-8.5 וולט מקסימלי (איור 7‏).

איור 7‏: מאפייני מתח ההידוק של ה-RCLAMP0512TQTCT כשנתון לנחשול מתח של ‎1.2/50 µs‏ ונחשול זרם של ‎8/20 µs‏ עם שיא של 20‎ A‏. אחרי זמן קצר בשיא,‏ מתח ההידוק מתייצב מתחת ל-5‏ וולט ומגן על ה-GbE PHY. (מקור תמונה: Semtech)

ה-RCLAMP0512TQ‏ הוא התקן קומפקטי במארז SGP1006N3T של‏ 3‏-פינים שמידותיו 1.0 x ‏ ‏0.6‏ x‏ 0.4 מילימטר (mm).

ישנם מוצרים אחרים בסדרת Semtech RailClamp המציעים הגנה גבוהה יותר עבור יישומים של 1‎ GbE‏ המשמשים במצבים מסוכנים יותר פוטנציאלית. לדוגמה, ה-RCLAMP3374N.TCT מתאפיין ביכולת I_PP של ‎40 A‏ (tp‏ = 8/20 ו-1.2/50‎ µs) ו-P_PK של 1 קילו-ואט (kW). מתח הפריצה ESD הוא 30‎ kV-/+. ה-V_C הוא 25 וולט (מקס'‏) כש-I_PP‏ = A‏ 40‏. מידות הרכיב הן ‎0.6 x 2.0 x 3.00 מ"מ.

התקן הביניים בסדרת ה-RailClamp הוא ה-RCLAMP3354S.TCT. זה מתאים עבור הגנת ‎1 GbE ומציע יכולת I_PP של ‎25 A‏ (tp‏ = 8/20 ו-1.2/50‎ µs) ו-P_PK של 400 ואט. מתח הפריצה ESD הוא 30‎ kV-/+. ה-V_C הוא 16 וולט (מקס'‏) כש-I_PP‏ = A‏ 25‏.

תכנון עם הגנה של דיודת TVS

איור 8‏ מראה תוכנית הגנה על ‏GbE PHY תוך שימוש ב-RCLAMP0512TQTCT. ההתקנים ממוקמים בצד ה-PHY של השנאי כדי להגן‏ מפני נחשולי אות-הפרשי, עם התקן אחד ממוקם על פני כל זוג קווי Ethernet‏. זוגות ה-Ethernet‏ ההפרשיים מנותבים דרך כל רכיב דיודת TVS בפינים 1 ו-2, עם פין 3‏ לא מחובר.

איור 8‏: רכיבי ההגנה דיודת TVS ממוקמים בצד ה-Ethernet PHY של השנאים, על פני כל זוג קווים הפרשיים וקרוב ככל האפשר למגנטיות PHY. (מקור תמונה: Semtech)

על המהנדס להגביל השראות פרזיטית במסלול ההגנה על ידי מיקום פיזי של רכיב ההגנה קרוב ככל האפשר למגנטיות ה-Ethernet PHY, ורצוי באותו הצד של לוח המעגל המודפס (לוח pc). זה גם עוזר אם חיבורי הארקה נעשים ישירות למשטח ההארקה של לוח המעגל המודפס תוך שימוש בחיבורי microvia.

הקטנת ההשראות הפרזיטית חשובה במיוחד כדי לדכא טרנזיינטים בעלי זמן עליה מהיר. השראות במסלול התקן ההגנה מגדילה את ה-V_C לו ההתקן המוגן חשוף. ה-V_C פרופורציונלי להשראות המסלול כפול קצב שינוי הזרם במהלך הנחשול. לדוגמה, ננו-הנרי (nH‏) ‏1 בלבד של השראות מסלול יכול להגדיל את שיא ה-V_C ב-30 וולט עבור פולס ESD של 30‎ A‏‏ עם זמן עליה של 1 ננו-שנייה (ns‏).

שים לב ששנאי ה-Ethernet‏ הנבחר ידרש לשרוד נחשולים צפויים ללא תקלות. ‏שנאי Ethernet‏ אופייני יכול לעמוד במספר מאות אמפר (tp = 8/20 µs) לפני קרות תקלה, אך את זה יש לאמת על ידי בדיקה. לחלופין, אם יש חשד לחסינות השנאי מפני נחשול, ניתן למקם את רכיב ההגנה בצד ה-line של השנאי. החיסרון הוא שההגנה הנוספת המאופשרת על ידי השנאי הולכת לאיבוד, והיכולת של מערכת ה-GbE לעמוד בנחשולי אנרגיה גבוהה מוגבלת ליכולת של התקן ההגנה בלבד.

מסקנה

GbE‏ היא מערכת תקשורת מהירות-גבוהה אמינה ונפוצה, אך כל המערכות המשתמשות במוליכים חשופות לטרנזיינטים של אנרגיה בשל תופעות כגון ברק ו-ESD. נחשולים כאלה ממותנים במידה מסוימת על ידי שנאי, CMC ומעגל סיום של נקודת החיבור GbE, אך נחשולי אות-הפרשי יכולים לעקוף מיתון זה ולגרום נזק ל-Ethernet PHY. מומלצת הגנה נוספת עבור מערכות קריטיות.

דיודות TVS הן אופציה טובה כי הן למעשה משככות את מתח השיא הטרנזיינטי לרמה‏ בטוחה, אינן דורשות איפוס, הן קומפקטיות ומחירן בינוני. מומלצת התאמה זהירה של רכיב ההגנה ליישום, מאחר ורכיבים אלה זמינים במגוון רחב של יכולות, כולל הגנת זרם שיא. נוסף לכך, מומלצת היצמדות להנחיות תכנון טובות, כגון מיקום והארקה, כדי למקסם את ההגנה של דיודת TVS נתונה.