Come integrare i diodi TVS nella progettazione per proteggere Gigabit Ethernet dai transitori di tensione e corrente

Gigabit Ethernet (GbE) è un sistema di comunicazione robusto e ad alta velocità molto diffuso in ambito domestico, commerciale e industriale. Tuttavia, i sistemi Ethernet presentano delle sfide, soprattutto quando la connettività si estende oltre l'edificio. Le linee si lunghe tratte possono essere soggette a tensioni e correnti transitorie inaspettate e le scariche elettrostatiche (ESD) sono un rischio costante.

Lo strato fisico (PHY) GbE include alcuni componenti che forniscono un certo grado di protezione, come il trasformatore di isolamento. Tuttavia, non si può fare affidamento sulla mitigazione della tensione transitoria integrata per la protezione in tutte le circostanze.

I diodi di soppressione di tensioni transitorie (TVS) sono dispositivi di protezione dei circuiti collaudati, robusti e poco costosi in applicazioni con vincoli di spazio e di costo, come GbE. In condizioni di funzionamento normale, questi dispositivi appaiono trasparenti. Tuttavia, i dispositivi devono proteggere i canali di comunicazione multipli da sovracorrenti transitorie fino a 40 A e da ESD fino a 30 kV e mantenere una bassa capacità di carico durante il normale utilizzo per garantire l'integrità del segnale ad alta velocità.

Questo articolo descrive le sfide progettuali poste dalla protezione dai transitori ad alta tensione e dalle ESD di GbE e considera le caratteristiche uniche dei diodi TVS necessari per la soppressione dell'energia. L'articolo descrive quindi alcune soluzioni commerciali, prima di mostrare come progettare i dispositivi selezionati in sistemi per la protezione dai transitori conformi a standard quali IEC 61000-4-2, -4 e -5.

I pericoli derivanti dagli effetti di tensione transitoria

GbE è un sistema di comunicazione cablato ad alta velocità. I collegamenti in rame trasportano i segnali differenziali che rappresentano gli "zero" e gli "uno" che compongono il flusso del segnale digitale. Tuttavia, il filo di rame è anche il meccanismo di trasporto perfetto per alte tensioni transitorie ed eventi ESD che potrebbero danneggiare gli elementi del circuito in silicio (Figura 1).

Figura 1: Senza protezione, i PHY GbE possono danneggiarsi irreparabilmente da alte tensioni e da ESD. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Il progetto di un PHY GbE prevede un certo grado di protezione attraverso il trasformatore di isolamento. Le specifiche GbE (IEEE 802.3) prevedono un isolamento minimo di 2,1 kV. La maggior parte dei trasformatori commerciali offre un isolamento da 4 a 8 kV. Inoltre, le interfacce GbE includono tipicamente una bobina di modo comune (CMC), un induttore per bloccare la corrente alternata a frequenza più alta e contribuire a ridurre i picchi ESD. Un ultimo grado di protezione è dato dalla terminazione "Bob Smith". Utilizza un resistore da 75 Ω per implementare un'impedenza di modo comune corrispondente per le coppie di segnali collegate collettivamente a terra tramite un condensatore. La terminazione può contribuire a ridurre le emissioni di modo comune discusse in seguito (Figura 2).

Figura 2: Lo strato fisico GbE include alcune protezioni integrate da tensioni transitorie, tra cui un trasformatore di isolamento, una bobina di arresto di modo comune e un circuito di terminazione resistivo. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Affidarsi semplicemente al trasformatore di isolamento PHY GbE, alla CMC e al circuito di terminazione per una protezione completa è rischioso. Sebbene i componenti offrano una certa mitigazione della tensione transitoria, diverse condizioni lasciano la porta esposta ai danni.

Le escursioni di tensione transitoria GbE possono essere classificate in modo comune o differenziale. Durante un transitorio di tensione di modo comune, tutti i conduttori PHY GbE salgono istantaneamente alla stessa tensione rispetto alla massa. Poiché tutti i conduttori sono allo stesso potenziale, non vi è trasferimento di corrente da un conduttore all'altro. Al contrario, la corrente passa a terra. Un percorso comune per il flusso di corrente è il passaggio del conduttore a terra attraverso la presa centrale del trasformatore e il circuito di terminazione (Figura 3).

Figura 3: Una corrente di modo comune ad alta tensione transitoria scorre attraverso il connettore RJ-45 fino a terra tramite la presa centrale del trasformatore di isolamento. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

La sovracorrente in modo differenziale è diversa. La corrente entra nella porta GbE su una linea di segnale della coppia differenziale, attraversa il trasformatore ed esce dalla porta sull'altra linea di segnale. La corrente transitoria che scorre nell'avvolgimento primario del trasformatore induce un picco di corrente nell'avvolgimento secondario. Una volta rimossa la sovracorrente, l'energia immagazzinata nel trasformatore si trasferisce al punto in cui si trova il fragile PHY GbE. È questa energia trasferita che, nel migliore dei casi, provoca la perdita di dati e di errori e, nel peggiore, porta a danni permanenti (Figura 4).

Figura 4: Un picco transitorio di tipo differenziale induce una corrente attraverso il trasformatore di isolamento che può danneggiare i circuiti elettronici sensibili. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

La Figura 4 mostra che il picco transitorio in modo differenziale è il più pericoloso, poiché espone il PHY GbE a tensioni potenzialmente dannose. Per proteggere da questi picchi transitori è necessaria una protezione aggiuntiva sul lato secondario del trasformatore di isolamento.

Utilizzo dei diodi TVS per la protezione dai picchi transitori

La protezione del PHY GbE richiede dispositivi in grado di isolare, bloccare o sopprimere i grandi impulsi di energia transitoria. I trasformatori aggiuntivi possono isolare completamente l'elettronica Ethernet, ma sono ingombranti e possono essere costosi. I fusibili sono un metodo di blocco poco costoso, ma devono essere ripristinati o sostituiti dopo ogni intervento. I diodi TVS sono un buon compromesso: sopprimono efficacemente il picco di tensione transitoria a un livello sicuro, non richiedono il ripristino, sono compatti e hanno un prezzo ragionevole.

Strutturalmente, un diodo TVS è un dispositivo p-n studiato appositamente con una grande sezione trasversale di giunzione per assorbire correnti e tensioni transitorie elevate. Mentre le caratteristiche di tensione/corrente di un diodo TVS sono simili a quelle di un diodo Zener, il primo è progettato per sopprimere la tensione piuttosto che per regolarla. Rispetto ad altri dispositivi di soppressione, un diodo TVS ha il grande vantaggio di rispondere rapidamente (tipicamente entro nanosecondi) ai transitori elettrici, indirizzandone a terra l'energia in modo sicuro pur mantenendo una tensione di tenuta all'impulso costante (Figura 5).

Figura 5: Un diodo TVS fornisce un percorso a bassa impedenza verso terra per le tensioni transitorie superiori a un livello di soglia. Di conseguenza, il circuito protetto è soggetto solo a una tensione sicura. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Durante il funzionamento normale, il diodo TVS presenta un'alta impedenza al circuito per tensioni fino alla sua tensione di lavoro (V_RWM). Quando la tensione sui terminali del dispositivo supera la tensione di rottura (V_BR), si verifica un cedimento a valanga nella giunzione del diodo che lo fa "scattare" o passare a uno stato On a bassa impedenza. Questo abbassa la tensione a un livello bloccato (V_C) mentre la corrente impulsiva di picco transitoria (I_PP) attraversa il dispositivo. La tensione massima cui è soggetto il circuito protetto è pari a V_C ed è tipicamente modesta. Una volta che la corrente scende al di sotto della corrente di mantenimento (I_H), il diodo TVS torna allo stato Off ad alta impedenza (Figura 6 e Tabella 1).

Figura 6: Caratteristiche operative di un diodo TVS. Alla tensione di rottura, il componente passa a uno stato On a bassa impedenza e abbassa la tensione a un livello di sicurezza bloccato al passaggio del picco di corrente transitorio. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Tabella 1: Definizioni dei parametri per la Figura 6. (Tabella per gentile concessione di Semtech)

I diodi TVS di produttori affidabili sono progettati per proteggere le interfacce e soddisfare i severi standard di immunità indicati in documenti quali IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) e IEC 61000-4-5 (fulmini).

IEC 61000-4-5, che specifica come testare l'immunità ai picchi transitori, descrive in dettaglio la loro forma d'onda tipica utilizzata per determinare la capacità di un diodo TVS. La forma d'onda simula un colpo di illuminazione indiretta e raggiunge il 90% del valore di corrente di picco (tp) in 8 µs e decade al 50% del valore di picco in 20 µs. Le schede tecniche fanno spesso riferimento a questa forma d'onda come "forma d'onda 8/20 µs" e forniscono dettagli sulla massima corrente impulsiva di picco (I_PP) che il dispositivo di protezione può sopportare. Le schede tecniche descrivono anche la risposta del prodotto alla forma d'onda di sovratensione transitoria associata causata da un colpo di illuminazione indiretta di 1,2/50 µs (un picco transitorio che raggiunge la tensione di picco in 1,2 µs e decade al 50% del valore di picco in 50 µs).

L'altra caratteristica di protezione fondamentale di un diodo TVS è la sua "tensione di tenuta ESD". Si tratta della massima tensione di scarica di elettricità statica che il dispositivo di protezione può tollerare senza subire danni ed è in genere pari a decine di kV.

Diodi TVS per la protezione di PHY GbE

Oltre a GbE, i diodi TVS sono disponibili per la protezione di una serie di interfacce, tra cui HDMI, USB Type-C, RS-485 e DisplayPort. Ma ognuna di queste interfacce richiede livelli di protezione lievemente diversi. Per questo è importante che il diodo TVS sia progettato per l'applicazione specifica.

Semtech, ad esempio, produce una gamma di diodi TVS mirati alla protezione delle interfacce GbE. I dispositivi sono realizzati con una tecnologia di processo che, secondo Semtech, consente di ridurre la corrente di dispersione e la capacità rispetto ad altri processi per diodi a valanga in silicio. Un ulteriore vantaggio della gamma di prodotti è la bassa tensione di funzionamento, da 3,3 a 5 V (a seconda della versione), che consente di risparmiare energia.

Ad esempio, la serie RailClamp comprende il modello RCLAMP0512TQTCT, adatto alla protezione di interfacce 2,5 GbE. Questo dispositivo ha una capacità I_PP di 20 A (tp = 8/20 e 1,2/50 µs) e una potenza di picco dell'impulso (P_PK) di 170 W. La tensione di tenuta ESD è di ±30 kV. V_BR è di 9,2 V (tipico), I_H è di 150 mA (tipico) e V_C è di 5 V (tipico) e 8,5 V (max) (Figura 7).

Figura 7: Caratteristiche della tensione di tenuta di RCLAMP0512TQTCT quando viene sottoposto a una tensione di 1,2/50 µs e una corrente di 8/20 µs con un picco di 20 A. Dopo un picco di breve durata, la tensione di tenuta si stabilizza sotto i 5 V, proteggendo il PHY GbE. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

RCLAMP0512TQ è un dispositivo compatto in un contenitore SGP1006N3T a 3 pin che misura 1,0 x 0,6 x 0,4 mm.

Esistono altri prodotti della serie RailClamp di Semtech che offrono una maggiore protezione per le applicazioni 1 GbE utilizzate in situazioni potenzialmente più pericolose. Il modello RCLAMP3374N.TCT, ad esempio, ha una capacità I_PP di 40 A (tp = 8/20 e 1,2/50 µs) e un P_PK di 1 kW. La tensione di tenuta ESD è di ±30 kV. V_C è di 25 V (max) con I_PP = 40 A. Il componente misura 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

Il dispositivo di fascia media della gamma RailClamp è il modello RCLAMP3354S.TCT. È adatto per la protezione 1 GbE e offre una capacità I_PP di 25 A (tp = 8/20 e 1,2/50 µs) e un P_PK di 400 W. La tensione di tenuta ESD è di ±30 kV. V_C è di 16 V (max) con I_PP = 25 A.

Integrazione nella progettazione con diodo TVS

La Figura 8 mostra uno schema di protezione PHY GbE che utilizza RCLAMP0512TQTCT. I dispositivi sono posizionati sul lato PHY del trasformatore per proteggere dai picchi transitori di tipo differenziale, con un dispositivo posizionato su ogni coppia di linee Ethernet. Le coppie differenziali Ethernet sono instradate attraverso ciascun componente del diodo TVS ai pin 1 e 2, mentre il pin 3 non è collegato.

Figura 8: I componenti di protezione a diodo TVS sono posizionati sul lato PHY Ethernet dei trasformatori, attraverso ogni coppia di linee differenziali e il più vicino possibile ai componenti magnetici del PHY. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Il progettista deve limitare l'induttanza parassita nel percorso di protezione posizionando il componente di protezione il più vicino possibile ai componenti magnetici del PHY Ethernet e preferibilmente sullo stesso lato della scheda a circuiti stampati. Inoltre, è utile che i collegamenti a massa siano effettuati direttamente al piano di massa della scheda CS utilizzando microvia.

La riduzione dell'induttanza parassita è particolarmente importante per sopprimere i transitori con rapido tempo di salita. L'induttanza nel percorso del dispositivo di protezione aumenta la V_C a cui è esposto il dispositivo protetto. La V_C è proporzionale all'induttanza del percorso moltiplicata per la velocità di variazione della corrente durante il picco transitorio. Ad esempio, solo 1 nH di induttanza di percorso può aumentare il picco di V_C di 30 V per un impulso ESD di 30 A con un tempo di salita di 1 ns.

Si noti che il trasformatore Ethernet selezionato dovrà essere in grado di sopravvivere ai picchi transitori previsti senza subire guasti. Un tipico trasformatore Ethernet può sopportare alcune centinaia di ampere (tp = 8/20 µs) prima che si verifichi un guasto, ma questo dato deve essere verificato mediante prove sul campo. In alternativa, se l'immunità ai picchi transitori del trasformatore è sospetta, il componente di protezione può essere collocato sul lato di linea del trasformatore. Lo svantaggio è che si perde la protezione aggiuntiva offerta dal trasformatore e la capacità del sistema GbE di resistere a picchi di energia elevati è limitata alla sola capacità del dispositivo di protezione.

Conclusione

GbE è un sistema di comunicazione ad alta velocità affidabile e diffuso, ma tutti i sistemi che utilizzano conduttori sono soggetti a transitori di energia dovuti a fenomeni come fulmini ed ESD. Tali picchi transitori sono in parte attenuati dal trasformatore, dalla bobina di arresto di modo comune e dal circuito di terminazione della porta GbE, ma i picchi transitori in modo differenziale possono aggirare questa soppressione e danneggiare il PHY Ethernet. Si raccomanda una protezione aggiuntiva per i sistemi critici.

I diodi TVS sono una buona opzione perché sopprimono efficacemente il picco di tensione transitoria a un livello sicuro, non richiedono il ripristino, sono compatti e di prezzo medio. Si consiglia di abbinare con cura il componente di protezione all'applicazione, poiché è disponibile un'ampia gamma di funzionalità, compresa la protezione dalla corrente di picco. Inoltre, per massimizzare la protezione di un determinato diodo TVS, si consiglia di attenersi alle best practice di progettazione, in fatto di posizione e di messa a terra.