como projetar

Nov 25, 2023

Por Steven Mantendo, Digikey

Gigabit Ethernet (GbE) é um sistema de comunicação robusto e de alta velocidade amplamente utilizado em instalações domésticas, comerciais e industriais. No entanto, os sistemas Ethernet apresentam desafios, principalmente quando a conectividade se estende além do prédio. Linhas estendidas podem estar sujeitas a tensões e correntes transientes inesperadas de alto nível, e descargas eletrostáticas (ESD) são um risco constante.

A camada física GbE (PHY) inclui alguns componentes que fornecem um grau de proteção, como o transformador de isolação. Mas não se pode confiar na mitigação de tensão transiente integrada para oferecer proteção em todas as circunstâncias.

Os diodos de supressão de tensão transitória (TVS) são um dispositivo de proteção de circuito comprovado, barato e robusto em aplicações de espaço e custo limitado, como GbE. Sob operação normal, os dispositivos aparecem transparentes. No entanto, os dispositivos devem proteger vários canais de comunicação contra correntes de pico de até 40 amperes (A) e ESDs de até 30 kilovolts (kV) e manter baixa capacitância de carga em uso normal para garantir a integridade do sinal de alta velocidade.

Este artigo descreve os desafios de projeto apresentados pelo transiente de alta tensão GbE e proteção ESD e, em seguida, considera as características exclusivas dos diodos TVS necessários para a supressão de energia. O artigo então descreve algumas soluções comerciais para o problema antes de mostrar como projetar os dispositivos selecionados em sistemas para proteção contra transientes de acordo com padrões como IEC 61000-4-2, -4 e -5.

GbE é um sistema de comunicação com fio de alta velocidade. As conexões de cobre carregam os sinais diferenciais que representam os "zeros" e "uns" que compõem o fluxo de sinal digital. No entanto, esse fio de cobre também é o mecanismo de transporte perfeito para altas tensões transitórias e eventos ESD que podem danificar os elementos do circuito de silício (Figura 1).

O projeto do GbE PHY inclui algum grau de proteção por meio do transformador de isolação. A especificação GbE (IEEE 802.3) exige uma classificação mínima de isolamento de 2,1 kV. A maioria dos transformadores comerciais oferece isolação de 4 a 8 kV. Além disso, as interfaces GbE geralmente incluem um indutor de modo comum (CMC), um indutor usado para bloquear CA de frequência mais alta para ajudar a reduzir picos de ESD. Um grau final de proteção vem da rescisão "Bob Smith". Isso usa um resistor de 75 ohms (Ω) para implementar uma correspondência de impedância de modo comum para pares de sinais conectados coletivamente por meio de um capacitor ao terra. A terminação pode ajudar a reduzir as emissões de modo comum discutidas posteriormente (Figura 2).

Simplesmente confiar no transformador de isolamento GbE PHY, no CMC e no circuito de terminação para proteção abrangente é arriscado. Embora os componentes ofereçam alguma mitigação de tensão transitória, há várias circunstâncias que deixam a porta exposta a danos.

As excursões de tensão transiente GbE podem ser classificadas em modo comum ou diferencial na natureza. Durante um transiente de tensão de modo comum, todos os condutores GbE PHY aumentam instantaneamente para a mesma tensão em relação ao terra. Como todos os condutores estão no mesmo potencial, não há transferência de corrente de um condutor para outro. Em vez disso, a corrente flui para o solo. Um caminho comum para o fluxo de corrente é através do condutor para o terra via derivação central do transformador e através do circuito de terminação (Figura 3).

O surto de modo diferencial é diferente. A corrente flui para a porta GbE em uma linha de sinal do par diferencial, através do transformador, e sai da porta na outra linha de sinal. A corrente transitória que flui através do enrolamento primário do transformador induz um surto de corrente no enrolamento secundário. Assim que o surto for removido, a energia armazenada no transformador será transferida para onde o frágil GbE PHY está localizado. É essa energia transferida que, na melhor das hipóteses, resulta em perda de dados e falhas e, na pior, leva a danos permanentes (Figura 4).

A Figura 4 mostra que o surto de modo diferencial é o mais perigoso, pois é aquele que expõe o GbE PHY a tensões potencialmente prejudiciais. É necessária proteção adicional no lado secundário do transformador de isolamento para proteção contra esses surtos.