Intégrer des diodes TVS pour la protection de Gigabit Ethernet contre les transitoires de tension et de courant

Gigabit Ethernet (GbE) est un système de communication haut débit robuste, largement utilisé dans les locaux domestiques, commerciaux et industriels. Cependant, les systèmes Ethernet présentent des défis, en particulier lorsque la connectivité s'étend au-delà du bâtiment. Les lignes étendues peuvent être exposées à des courants et des tensions transitoires de haut niveau inattendus, et les décharges électrostatiques (DES) constituent un risque permanent.

La couche physique (PHY) GbE inclut des composants qui fournissent un certain degré de protection, comme le transformateur d'isolement. La fonction intégrée d'atténuation des tensions transitoires ne peut toutefois pas offrir une protection dans toutes les circonstances.

Les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) sont des dispositifs de protection des circuits robustes, économiques et éprouvés pour les applications à espace et à coût limités telles que GbE. En fonctionnement normal, ces composants sont transparents. Pourtant, les dispositifs doivent protéger plusieurs canaux de communications contre les courants de surcharge jusqu'à 40 ampères (A) et les décharges électrostatiques jusqu'à 30 kilovolts (kV), et maintenir une faible capacité de charge en utilisation normale pour garantir l'intégrité des signaux à haute vitesse.

Cet article décrit les défis de conception présentés par la protection contre les transitoires haute tension et les décharges électrostatiques dans les applications GbE, puis examine les caractéristiques uniques des diodes TVS requises pour la suppression d'énergie. L'article décrit ensuite certaines solutions commerciales au problème avant de montrer comment intégrer une sélection de dispositifs dans des systèmes pour la protection contre les transitoires conformément à des normes telles que CEI 61000-4-2, -4 et -5.

Dangers liés aux effets de tensions transitoires

GbE est un système de communication filaire à haut débit. Les liaisons en cuivre transmettent les signaux différentiels, qui représentent les « zéros » et les « uns » constituant le flux de signaux numériques. Cependant, ce fil de cuivre est également le mécanisme de transport parfait pour les tensions transitoires élevées et les événements DES qui pourraient endommager les éléments de circuit silicium (Figure 1).

Figure 1 : Sans protection, les couches PHY GbE peuvent être détruites par des décharges électrostatiques et des tensions transitoires élevées. (Source de l'image : Semtech)

La conception de la couche PHY GbE inclut un certain degré de protection via le transformateur d'isolement. La spécification GbE (IEEE 802.3) demande un isolement minimum de 2,1 kV. La plupart des transformateurs commerciaux offrent un isolement de 4 kV à 8 kV. De plus, les interfaces GbE incluent typiquement une bobine d'arrêt de mode commun (CMC), une inductance utilisée pour bloquer le courant alternatif à plus haute fréquence afin de réduire les pointes DES. Un dernier degré de protection résulte de la terminaison « Bob Smith ». Celle-ci utilise une résistance de 75 ohms (Ω) pour implémenter une adaptation d'impédance de mode commun pour les paires de signaux connectées collectivement via un condensateur à la terre. La terminaison peut aider à réduire les émissions de mode commun abordées plus loin (Figure 2).

Figure 2 : La couche physique GbE inclut une protection intégrée contre les tensions transitoires, y compris un transformateur d'isolement, une bobine d'arrêt de mode commun et un circuit de terminaison de résistance. (Source de l'image : Semtech)

Se fier simplement au transformateur d'isolement PHY GbE, à la bobine d'arrêt de mode commun et au circuit de terminaison pour une protection complète est risqué. Bien que les composants offrent une certaine atténuation des tensions transitoires, il existe plusieurs circonstances qui exposent le port à des dommages.

Les excursions de tension transitoire GbE peuvent être classées en mode commun ou en mode différentiel. Lors d'un transitoire de tension de mode commun, tous les conducteurs PHY GbE montent instantanément à la même tension par rapport à la terre. Comme tous les conducteurs sont au même potentiel, il n'y a pas de transfert de courant d'un conducteur à l'autre. Au lieu de cela, le courant passe à la terre. Un chemin commun pour le flux de courant passe par le conducteur à la terre via la prise centrale du transformateur et par le circuit de terminaison (Figure 3).

Figure 3 : Un courant de mode commun à haute tension transitoire circule à travers le connecteur RJ-45 vers la terre via la prise centrale du transformateur d'isolement. (Source de l'image : Semtech)

La surtension en mode différentiel est différente. Le courant circule dans le port GbE sur une ligne de signaux de la paire différentielle, via le transformateur, et ressort du port sur l'autre ligne de signaux. Le courant transitoire circulant dans l'enroulement primaire du transformateur induit une pointe de courant dans l'enroulement secondaire. Une fois la surtension supprimée, l'énergie stockée dans le transformateur sera transférée là où se trouve la fragile couche PHY GbE. C'est cette énergie transférée qui, au mieux, entraîne des pertes de données et des problèmes et, au pire, des dommages permanents (Figure 4).

Figure 4 : Une surtension de mode différentiel induit un courant dans le transformateur d'isolement, pouvant endommager les circuits électroniques sensibles. (Source de l'image : Semtech)

La Figure 4 montre que la surtension de mode différentiel est la plus dangereuse car c'est celle qui expose la couche PHY GbE à des tensions potentiellement dommageables. Une protection supplémentaire est nécessaire sur le côté secondaire du transformateur d'isolement pour protéger contre ces surtensions.

Utilisation de diodes TVS pour la protection contre les surtensions

La protection PHY GbE requiert des dispositifs capables d'isoler, de bloquer ou de supprimer les grandes impulsions d'énergie transitoires. Des transformateurs supplémentaires peuvent isoler complètement l'électronique Ethernet, mais ils sont volumineux et peuvent être coûteux. Les fusibles offrent une méthode économique de blocage mais ils doivent être réarmés ou remplacés après chaque événement de déclenchement. Les diodes TVS constituent un bon compromis. Elles suppriment efficacement la tension transitoire de crête à un niveau sûr, ne nécessitent pas de réinitialisation, sont compactes et d'un prix raisonnable.

Structurellement, une diode TVS est un dispositif p-n spécialement conçu avec une grande section transversale de jonction pour absorber les courants et tensions transitoires élevés. Même si les caractéristiques de tension/courant d'une diode TVS sont similaires à celles d'une diode Zener, les dispositifs sont conçus pour la suppression de tension plutôt que pour la régulation de tension. L'un des principaux avantages d'une diode TVS est sa réponse rapide (typiquement en quelques nanosecondes) aux transitoires électriques — dérivant en toute sécurité l'énergie du transitoire vers la terre tout en maintenant une tension de blocage constante — par rapport à d'autres dispositifs de suppression (Figure 5).

Figure 5 : Une diode TVS fournit un chemin à faible impédance vers la terre pour les tensions transitoires au-dessus d'un niveau de seuil. Par conséquent, le circuit protégé n'est exposé qu'à une tension sûre. (Source de l'image : Semtech)

En fonctionnement normal, la diode TVS présente une impédance élevée pour le circuit pour des tensions allant jusqu'à sa tension de fonctionnement (V_RWM). Lorsque la tension aux bornes du dispositif dépasse la tension de claquage (V_BR), un claquage par avalanche se produit dans la jonction de la diode, la faisant « claquer » ou passer à un état passant à faible impédance. Cela abaisse la tension à un niveau bloqué (V_C) tandis que le courant d'impulsion de crête transitoire (I_PP) circule dans le dispositif. La tension maximum à laquelle est exposé le circuit protégé est égale à V_C et est généralement modeste. Une fois que le courant diminue en dessous du courant de maintien (I_H), la diode TVS revient à un état bloqué à haute impédance (Figure 6 et Tableau 1).

Figure 6 : Caractéristiques opérationnelles d'une diode TVS. À la tension de claquage, le composant passe à un état passant à faible impédance et abaisse la tension à un niveau bloqué sûr à mesure que le courant de crête transitoire passe. (Source de l'image : Semtech)

Tableau 1 : Définitions des paramètres pour la Figure 6. (Source du tableau : Semtech)

Les diodes TVS de fabricants réputés sont conçues pour protéger les interfaces tout en respectant les normes d'immunité strictes détaillées dans des documents tels que les normes CEI 61000-4-2 (DES), CEI 61000-4-4 (EFT) et CEI 61000-4-5 (foudre) .

La norme CEI 61000-4-5, qui spécifie comment tester l'immunité aux surtensions, fournit des détails sur la forme d'onde de surtension typique utilisée pour déterminer la tenue d'une diode TVS. La forme d'onde simule un impact de foudre indirect et atteint 90 % de sa valeur de courant de crête (tp) en 8 microsecondes (µs) et retombe à 50 % de sa valeur de crête en 20 µs. Les fiches techniques désignent souvent ce phénomène par l'expression « forme d'onde 8/20 µs » et fournissent des détails sur le courant d'impulsion de crête maximum de la forme d'onde (I_PP) auquel le dispositif de protection peut résister. Les fiches techniques détaillent également généralement la réponse du produit à la forme d'onde de surtension associée causée par un impact de foudre indirect de 1,2/50 µs (une surtension transitoire atteignant sa tension de crête en 1,2 µs et retombant à 50 % de sa valeur de crête en 50 µs).

L'autre caractéristique de protection clé d'une diode TVS est sa tension de tenue DES. Il s'agit de la tension de décharge d'électricité statique maximum que le dispositif de protection peut tolérer sans dommage, typiquement de l'ordre de la dizaine de kV.

Diodes TVS pour la protection PHY GbE

En plus de GbE, des diodes TVS sont disponibles pour la protection d'une série d'interfaces, notamment HDMI, USB Type-C, RS-485 et DisplayPort. Mais chacune de ces interfaces exige des niveaux de protection subtilement différents. Il est donc important que la diode TVS soit conçue pour l'application spécifique.

Semtech, par exemple, propose une gamme de diodes TVS ciblant la protection de l'interface GbE. Les dispositifs sont fabriqués à l'aide d'une technologie de processus qui, selon Semtech, permet de réduire le courant de fuite et la capacité par rapport aux autres processus de diodes à avalanche silicium. Un autre avantage de la gamme de produits est qu'elle présente une faible tension de fonctionnement de 3,3 volts (V) à 5 V (selon la version) pour économiser de l'énergie.

Par exemple, la série RailClamp inclut le RCLAMP0512TQTCT qui convient à la protection de l'interface 2.5 GbE. Ce dispositif présente une tenue I_PP de 20 A (tp = 8/20 et 1,2/50 µs) et une puissance d'impulsion de crête (P_PK) de 170 watts (W). La tension de tenue DES est de +/-30 kV. La tension V_BR est de 9,2 V (typ.), le courant I_H est de 150 milliampères (mA) (typ.), et la tension V_C est de 5 V typ. et de 8,5 V max. (Figure 7).

Figure 7 : Caractéristiques de tension de blocage du RCLAMP0512TQTCT lorsqu'il est exposé à une tension de 1,2/50 µs et à une pointe de courant de 8/20 µs à une valeur de crête de 20 A. Après un pic de courte durée, la tension de blocage se stabilise en dessous de 5 V, protégeant la couche PHY GbE. (Source de l'image : Semtech)

Le RCLAMP0512TQ est un dispositif compact en boîtier SGP1006N3T à 3 broches de 1,0 millimètre (mm) x 0,6 mm x 0,4 mm.

D'autres produits de la série RailClamp de Semtech offrent une meilleure protection pour les applications 1 GbE utilisées dans des situations potentiellement plus dangereuses. Le RCLAMP3374N.TCT, par exemple, présente une tenue I_PP de 40 A (tp = 8/20 et 1,2/50 µs) et une puissance P_PK de 1 kilowatt (kW). La tension de tenue DES est de +/-30 kV. La tension V_C est de 25 V (max.) quand I_PP = 40 A Le composant mesure 3,0 mm x 2,0 mm x 0,60 mm.

Le RCLAMP3354S.TCT est le dispositif milieu de gamme de la série RailClamp. Il convient à la protection 1 GbE et offre une tenue I_PP de 25 A (tp = 8/20 et 1,2/50 µs) et une puissance P_PK de 400 W. La tension de tenue DES est de +/-30 kV. La tension V_C est de 16 V (max.) quand I_PP = 25 A

Intégration de la protection par diode TVS

La Figure 8 illustre un schéma de protection PHY GbE avec le RCLAMP0512TQTCT. Les dispositifs sont situés du côté PHY du transformateur pour la protection contre les surtensions de mode différentiel, un dispositif étant placé sur chaque paire de lignes Ethernet. Les paires différentielles Ethernet sont routées via chaque composant de diode TVS aux broches 1 et 2, la broche 3 n'étant pas connectée.

Figure 8 : Les composants de protection des diodes TVS sont placés du côté PHY Ethernet des transformateurs, sur chaque paire de lignes différentielles et aussi près que possible des éléments magnétiques PHY. (Source de l'image : Semtech)

L'ingénieur doit limiter l'inductance parasite dans le chemin de protection en plaçant le composant de protection aussi près que possible des éléments magnétiques PHY Ethernet, et de préférence du même côté de la carte à circuit imprimé. Il est également utile que les connexions à la terre soient effectuées directement sur le plan de masse du circuit imprimé à l'aide de microvias.

La réduction de l'inductance parasite est particulièrement importante pour supprimer les transitoires à temps de montée rapide. L'inductance dans le chemin du dispositif de protection augmente la tension V_C à laquelle le dispositif protégé est exposé. La tension V_C est proportionnelle à l'inductance du chemin multipliée par le taux de variation du courant pendant la surtension. Par exemple, 1 seul nanohenry (nH) d'inductance de chemin peut augmenter la tension V_C de crête de 30 V pour une impulsion DES de 30 A avec un temps de montée de 1 nanoseconde (ns).

Notez que le transformateur Ethernet sélectionné devra pouvoir supporter les surtensions prévues sans défaillance. Un transformateur Ethernet typique peut supporter quelques centaines d'ampères (tp = 8/20 µs) avant qu'une défaillance ne se produise, mais cela doit être vérifié par des tests. Alternativement, si l'immunité aux surtensions du transformateur est incertaine, le composant de protection peut être placé du côté ligne du transformateur. L'inconvénient est que la protection supplémentaire offerte par le transformateur est alors perdue, et que la capacité du système GbE à résister aux pointes d'énergie élevées est limitée à la seule capacité du dispositif de protection.

Conclusion

La technologie GbE est un système de communication à haut débit fiable et répandu, mais tous les systèmes utilisant des conducteurs sont exposés à des transitoires d'énergie dus à des phénomènes tels que la foudre et les décharges électrostatiques. De telles pointes d'énergie sont atténuées dans une certaine mesure par la bobine d'arrêt de mode commun, le circuit de terminaison et le transformateur du port GbE, mais les surtensions de mode différentiel peuvent contourner cette suppression et endommager la couche PHY Ethernet. Une protection supplémentaire est recommandée pour les systèmes critiques.

Les diodes TVS constituent une bonne option car elles suppriment efficacement les tensions transitoires de crête à un niveau sûr, ne nécessitent pas de réinitialisation et sont compactes et à prix moyen. Il est conseillé d'adapter soigneusement le composant de protection à l'application, car ces composants sont disponibles dans une large gamme de capacités, y compris la protection contre les courants de crête. De plus, il est recommandé de respecter les bonnes règles de conception, telles que la position et la mise à la terre, afin de maximiser la protection d'une diode TVS donnée.