摘要：随着通信速率的提高，集成芯片对静电放电(ESD)、电缆放电(GDE)事件、浪涌等干扰变得敏感易损坏，如不加以防护，设备的可靠性将受到影响。因此应对各种干扰的形成原因及其特点进行分析，并通过对保护器件的对比选择，以设计出合理的以太网接口保护电路，提高设备的可靠性。
关键词：太网接口ESD；浪涌保护电路；设计；
随着电子技术的飞速发展, 高速、低能耗和超大规模集成电路的大量使用, 电子设备对电磁干扰的敏感程度也大大提高。静电放电是电磁干扰中的一种。关于静电放电形成的机理、危害、测试和防护设计的问题。
1 静电放电ESD的干扰机理
当两个带静电的物体或一个带静电的物体与不带电的导体靠近或接触时, 就会发生静电放电现象。静电放电电流一般具有很高的幅度和很短的上升沿, 这样就会在放电电流附近产生强度大、频谱宽的电磁场。电磁场的频率取决于放电电流的上升沿,上升沿越短, 产生的电磁场的频率越高, 越容易产生干扰。放电时产生的放电电流及其电磁场经传导和辐射耦合进入电子设备(如图1 所示), 引起电子设备的故障或损坏, 尤其是计算机芯片、集成电路等。 静电放电两种主要的破坏机制是:由于ESD 电流产生的热量导致设备的热失效;由于ESD 感应出高的电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在一个设备中同时发生, 例如, 绝缘击穿可能激发大的电流, 这又进一步导致热失效。静电对器件造成的损坏有显性的和隐性的两种。显性损坏容易发现, 问题也相对比较容易解决。隐性损坏在当时看不出来, 但器件参数漂移或变得更脆弱, 在过压、高温等条件下极易损坏或工作一段时间后故障才会出现。
（图1）
2 干扰形式
2.1 ESD干扰。ESD即静电放电。根据ESD来源的不同，其模型可分为人体模型(HBM)、被充电器件模型(CDM)和机器模型(MM)。对于以太网接口而言，ESD主要发生在操作人员接触以太网接口时。人体已积累的静电电荷会通过以太网接口进行泄放，从而发生ESD事件。因此以太网接口的ESD防护是以防人体静电为主。IEC61000—4—2采用的ESD人体模型为150 pF电容上积累的电荷通过330 Q串联电阻向外泄放。可以看出该波形在700 ps到1 ns内便达到峰值，并且整个波形仅持续60as，因此，其能量较小但高频威胁较大。IEC61000-4-2中关于ESD试验等级的划分如表1所示，表1中试验电压包括正负两种电压，一般而言，在相同试验等级下，接触放电对以太网接口的危害更大。
（表1）
2.2 CDE干扰。CDE现象在以太网环境中普遍存在。网线相当于是可以存储电荷的容性元件，并且其电容值会随着网线长度的变长而增加。在发生摩擦效应(如在管道中拖拉网线)或电磁感应效应(如被邻近牵引电缆干扰)时，两端悬空的以太网线(尤其是非屏蔽以太网线)会被充电。由于5类、6类网线具有低漏电流的特点，因此电荷可在网线上存储数个小时到数十个小时。当一个充了电的网线被插入到端口时，瞬态电流会选择最低阻抗路径泄放，从而形成CDE事件。以太网线具有低电阻性高容性的特点，因此CDE波形不同于人体模型的ESD波形。CDE波形一般具有快速上升沿，并伴随有极性反转的振荡现象。CDE波形参数会随着以太网线的特性(如长度)及环境(温度、湿度)的不同而改变。文献给出的7．6 m长的5类网线C DE波形仅持续600ns，由于网线的容性特性，线缆越长，则振荡频率越低，线缆越短，则振荡频率越高。由于CDE形成环境的复杂性及缺乏足够的实验数据，目前还没有任何一个标准对CDE进行建模描述，当网线长度超过60m时，安装网线时应当额外注意CDE的影响。
2.3 浪涌干扰。以太网接口设计中考虑的浪涌是以太网线受其周围高压电缆的电磁干扰而产生的。由于网线高度平衡的双绞线制作方法，因此仅需考虑共模干扰即可。相对于ESD干扰而言，浪涌电压是一个“慢信号”，其脉冲上升时间在量级。在相同幅值下，由于脉冲持续时间较长，浪涌的能量要比ESD大得多。组合波来描述浪涌脉冲，即同一发生器可以产生1．2／50 的电压波(发生器输出为开路)和8／20 的电流波(发生器输出为短路)。IEC61000-4-5中规定的浪涌试验室内应用环境下不需做等级试验。
3 以太网接口ESD/浪涌保护电路设计
3.1 ESD防护对保护电路的响应时间要求比较苛刻，保护电路至少应在YIS量级的时间内启动对后续电路的保护。浪涌防护对保护电路的浪涌电流吸收能力要求较高。在试验等级为3级时，由于试验设备的内阻为42 Q，保护电路至少应具备吸收48 A浪涌电流的能力。CDE脉冲具有ESD的快速上升时间，TIA也推荐对其参照IEC61000-4—2进行考虑。考虑到CDE脉冲可能会持续时间长、能量大，因此，保护电路对CDE的浪涌电流吸收应按照设计。尽管标准不要求对高度平衡线缆进行差模试验，但考虑到CDE同时具有共模、差模影响，保护电路在差模保护能力上也要达到要求。保护电路必须将干扰电压限制到10 V以内，以免对以太网物理芯片造成损坏。为了避免对正常的高速通信产生影响，保护电路选用器件的结电容必须小于10pF。通过对保护器件的分析可以看出，没有哪种单一保护器件可以胜任对以太网接口的防护。气体放电管的响应速度太慢，残压太大。压敏电阻高的结电容导致其不可能直接并联在以太网通信线上使用。
TVS管的浪涌电流吸收能力较差，尽管好的TVS管可以达到100 A的浪涌吸收能力，但浪涌保护的裕度太小。基于上述考虑，设计了两级防护电路。第一级采用贴片三极气体放电管，第二级采用低结电容的双向TVS管。该电路可对正负极性的共模／差模干扰进行防护。当一个干扰脉冲通过保护电路时，TVS管会先产生动作，将干扰脉冲钳制在限定电压范围内。干扰电压进一步增加后气体放电管会导通，并吸收干扰脉冲大部分的能量。串联电阻应选取电阻大于2 Q、功率大于2 w的电阻。若无此电阻，则气体放电管无法导通，从而无法达到两极防护的效果。该电路同时具备TVS管响应速度快、箝位电压低的特点，并具备气体放电管良好的浪涌电流吸收能力。该保护电路保护以太网接口不受损坏。
3.2 电缆设计。一个正确设计的电缆保护系统,可能是提高系统抗ESD 干扰的关键。为减小辐射EMI 耦合到电缆, 线长和回路面积要尽量小, 电缆应尽量采用屏蔽电缆。两个机箱之间通过屏蔽电缆互连时, 通过电缆的屏蔽层将两个机箱连接在一起,电缆屏蔽层与机箱应尽可能采用360°搭接, 以保持低阻抗。这样可以使两个机箱的电位同升同降, 它们的电位差尽量小, 防止一台机箱发生静电放电时,较高的共模电压传到另一台机箱。在互连电缆上安装一个共模扼流圈可以使静电放电造成的共模电压一部分降在扼流圈上, 而不是全部降在另一端的电路上。由于静电放电电流的上升时间很短, 因此扼流圈的寄生电容必须最小化。脉冲边沿触发输入方式对静电放电引起的瞬变十分敏感, 因此最好不采用边沿触发, 可采用门电路和选通电路。对易受ESD 影响的电路, 应该放在靠近电路中心的区域, 这样其他的电路可以为它们提供一定的屏蔽作用。复位线、中断信号线或者边沿触发信号线不能布置在靠近PCB 边沿的地方。如果一个机箱或主板要安装多个电路卡, 应该将对静电最敏感的电路放在中间。为防止印制电路板插入母板时造成静电损坏, 可在电路板周围加保护环, 应该注意保护环不能和电路板上的电路有电气连接。
本文通过分析以太网接口可能受到的各种干扰的形成原因及其干扰特点，比较几种常用的防护器件的特点，继而设计了一种以太网接口ESD／浪涌保护电路，保护后续电路不受损坏，从而可提高设备的可靠性。
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[3]贾江波, 张乔根, 李彦明. 低压系统串级浪涌抑制配合的研究[J]. 电瓷避雷器, 2017(3):43 ～ 46
论文作者:夏慈君1,夏辉 2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/21
标签：浪涌论文; 电路论文; 以太网论文; 网线论文; 干扰论文; 静电论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第15期论文;