半導(dǎo)體二極管在以太網(wǎng)端口的應(yīng)用研究

摘要：利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娫砗颓段浑妷禾匦宰鳛楸Ｗo(hù)電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)、電壓低、容性小、時(shí)間短等特點(diǎn)。用它來保護(hù)高速發(fā)展的以太網(wǎng)端口，特別是千兆的以太網(wǎng)端口，高性能的集成塊具有很強(qiáng)大的保護(hù)作用，能夠使精密的儀器免受瞬態(tài)電壓的破壞。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//xvww.eepxv.com.cn/article/274758.htm

關(guān)鍵字：瞬態(tài)二極管；鉗位電壓；以太網(wǎng)；浪涌DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.5.017

在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的情況下，以太網(wǎng)到處可見，以太網(wǎng)設(shè)備的啟動(dòng)和驅(qū)動(dòng)要求其集成電路比以前更先進(jìn)。現(xiàn)在使用的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（PHYS）是采用65納米工藝的高性能收發(fā)器。這種新的以太網(wǎng)收發(fā)器平臺給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了優(yōu)良的性能優(yōu)勢，但是令人擔(dān)心的是集成芯片的保護(hù)等級在降低。現(xiàn)在的集成電路芯片的尺寸變得越來越小，而性能指標(biāo)越來越高。這樣芯片的輸出輸入保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)就要求更高，而設(shè)計(jì)師們往往在這一方面沿用老的保護(hù)電路。特別是在大量電器瞬態(tài)威脅下使以太網(wǎng)的端口能夠正常工作提出了更嚴(yán)更高的要求。

在以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中雙絞線需要對抗各種各樣的瞬態(tài)過壓所帶來的危害，像電纜放電（CDE）、靜電放電（ESD）和電器快速瞬變（EFT），這就需要以太網(wǎng)端口有一個(gè)防御設(shè)施來保護(hù)端口。瞬態(tài)危害的特征有兩個(gè)方面：第一方面是快速上升時(shí)間的危害，像電纜放電（CDE）、靜電放電（ESD）和電器快速放電（EFT），屬于快速上升時(shí)間的危害，他們通常的上升時(shí)間都在1納秒的時(shí)間范圍內(nèi)，如圖1所示，可以看出三種情況下脈沖特征上的不同點(diǎn)：第二個(gè)方面是緩慢上升時(shí)間的危害，也就是浪涌危害。浪涌是一種放電感應(yīng)脈沖，是上升時(shí)間相對緩慢一點(diǎn)，通常都在1微秒的時(shí)間范圍內(nèi)。由于脈沖波形具有高次脈沖的能量，因此在分析中，可以把它認(rèn)為一個(gè)電壓波形與一個(gè)尖峰電壓的疊加。要使以太網(wǎng)端口免受不同瞬態(tài)的危害，必須有不同層次的保護(hù)結(jié)構(gòu)，而如今以太網(wǎng)的迅猛發(fā)展，需要有更好的解決方案。

瞬態(tài)二極管（TVS）是一種高效能保護(hù)的元器件，當(dāng)瞬態(tài)二極管的兩個(gè)電極受到高能量的瞬態(tài)反向電壓擊穿時(shí)，他以l0-12s的速度將反向斷開的瞬態(tài)二極管變成導(dǎo)通，吸收幾千瓦的浪涌功率，并使瞬態(tài)二極管的電壓嵌位到一個(gè)給定的值，更好地保護(hù)電路中的精密器件，使其免受浪涌脈沖的破壞，如圖2所示，在信號正常工作的條件下，瞬態(tài)二極管反向斷開，表現(xiàn)為高阻抗，在電路中不起作用。當(dāng)某一個(gè)瞬態(tài)尖峰脈沖攻擊以太網(wǎng)端口時(shí)，瞬態(tài)二極管由于反向擊穿而導(dǎo)通，形成的高電流便由導(dǎo)通的二極管導(dǎo)走，并使瞬態(tài)電壓尖峰低于集成電路允許的最高閾值電壓。

如果以太網(wǎng)端口有額外的電容時(shí)就會對信號的質(zhì)量產(chǎn)生干擾，所以要保持以太網(wǎng)端口沒有額外電容；而以太網(wǎng)端口能在沒有額外電容負(fù)載時(shí)，還具有承受強(qiáng)大浪涌的能力，就需要有一個(gè)保護(hù)電路來完成這個(gè)目標(biāo)。而瞬態(tài)二極管的結(jié)構(gòu)不僅具有承受強(qiáng)大的浪涌能力，而且還能使以太網(wǎng)端口的電容達(dá)到最小化。同時(shí)瞬態(tài)二極管的嵌位電壓是評估保護(hù)以太網(wǎng)端口的一個(gè)性能指標(biāo)，它是瞬態(tài)電壓在抑制浪涌瞬變后所產(chǎn)生的電壓，如圖3所示，這個(gè)電壓出現(xiàn)在物理層的輸入端能使嵌位電壓很小，電壓越小對以太網(wǎng)的端口的保護(hù)就越好。圖4是瞬態(tài)二極管對于靜電放電（ESD）響應(yīng)的電路圖，它能把高靜電電壓放電時(shí)嵌位到一個(gè)較低的電壓值。

對于千兆的以太網(wǎng)端口，它上下浮動(dòng)的電壓差在2V左右，低電壓2.5V的瞬態(tài)電壓抑制效果要比SV電壓抑制的電壓效果好，而且響應(yīng)速度還較快，伏安特性恢復(fù)得也較快，如圖5所示。同時(shí)也能夠發(fā)現(xiàn)，在伏安特性曲線中，還有一些輕微的負(fù)阻，這種特性反過來能夠降低脈沖電流的嵌位電壓。

瞬態(tài)二極管的嵌位電壓對于雷擊以太網(wǎng)端口同樣具有保護(hù)作用，以8x20us電流脈沖為基準(zhǔn)來確定，圖6的嵌位電壓曲線顯示了不同的瞬態(tài)電壓抑制設(shè)備的鉗制電壓不同，以太網(wǎng)端口尺寸的敏感性又歸物理層結(jié)構(gòu)來決定，低電壓保護(hù)陳列的嵌位電壓能達(dá)到2V左右，而標(biāo)準(zhǔn)SV電壓嵌位到12V左右，很顯然，標(biāo)準(zhǔn)的SV電壓已不能保護(hù)更高端的以太網(wǎng)端口系統(tǒng)，需要替代他們的是較低的工作電壓和較低的嵌位電壓設(shè)備。

電磁兼容簡稱EMC（Electromagnetic comp atibility）是電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能夠正常工作并且不對該電磁環(huán)境中任何電子設(shè)備造成不能承受的電磁騷擾的能力。

EMC設(shè)計(jì)安全規(guī)范的種類：

1 EMC安全規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)

·浪涌沖擊GB/T 17626.4-2008浪涌（沖擊）抗干擾強(qiáng)度；

·傳導(dǎo)——GB/T 17626.6-2008射頻電場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗干擾強(qiáng)度：

·電快速脈沖群——GB/T 17626.4-2008電快速瞬變脈沖群抗干擾強(qiáng)度；

·靜電——GB/T 17626.2-2006靜電放電抗干擾強(qiáng)度：

·輻射——GB/T 17626.3-2008射頻電磁場輻射抗干擾強(qiáng)度：

·高低溫——GB/T 2423.1/2電工電子產(chǎn)品溫度環(huán)境；

·阻尼震蕩——GB/T 17626.10-1998阻尼振蕩磁場抗干擾強(qiáng)度：

·耐壓——VTS瞬態(tài)二極管具體要求；

·交流電源暫降——GB/T17626.11-2008電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗干擾強(qiáng)度；

·直流電源暫降——GB/T17626.29-2006直流電源輸入端口電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗干擾強(qiáng)度。

2 瞬態(tài)二極管的主要參數(shù)

2.1 擊穿電壓VBR

TVS在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在電流IBR的情況下，TVS兩端的電壓叫做擊穿電壓，用VBR表示，此時(shí)呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)。

2.2 最大反向脈沖峰值電流IP

TVS瞬態(tài)二極管工作在反向電壓下，在脈沖到來時(shí)所通過的最大峰值脈沖電流即為最大反向脈沖峰值電流Ip。

2.3 最大反向工作電壓VR

TV瞬態(tài)二極管反向工作時(shí)，在電流作用下，TVS兩端的電壓即為最大反向工作電壓VR，在正常情況下，VR=（0.8～0.9）VBR

2.4 最大嵌位電壓Vc

當(dāng)電流是脈沖峰值電流時(shí)，測得TVS兩端的最大電壓就為最大嵌位電壓值，嵌位系數(shù)一般取1.3左右。

3 TVS瞬態(tài)二極管的選取

（1）TVS瞬態(tài)二極管額定反向關(guān)斷電壓Vm應(yīng)不小于被保護(hù)設(shè)備電路的最大工作電壓。

（2）最小擊穿電壓VBR=Vrwm/KBR（其中，KBR=0.8～o.9）。

（3）TVS的最大箝位電壓Ve應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓，即Ve=Kc×VBR（其中，Kc=1.3）。

（4）在脈沖所持續(xù)的時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM應(yīng)該大于被保護(hù)設(shè)備電路內(nèi)出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。4TVS瞬態(tài)二極管選擇注意事項(xiàng)

（1）額定工作電壓：設(shè)計(jì)時(shí)允許工作期間加在防護(hù)電路上的電壓。

（2）標(biāo)稱通電電壓：在施加恒定ImA直流電流情況下，保護(hù)器件的啟動(dòng)電壓值。

（3）標(biāo)稱放點(diǎn)電流：防護(hù)電路額定轉(zhuǎn)移的電流的能力。

（4）沖擊通流容量：防護(hù)電路所能承受的電流而不損壞的最大電流。

（5）響應(yīng)時(shí)間：防護(hù)電路對瞬態(tài)過電壓起控制時(shí)所需要的時(shí)間。

（6）殘壓（限制電壓）：防護(hù)電路對瞬態(tài)過電壓的電壓限制能力殘壓必須低于被保護(hù)器件的耐壓水平。

選好了TVS瞬態(tài)二極管后，保護(hù)電路應(yīng)該安裝在哪里比較合適？是安裝在以太網(wǎng)端口的走線還是把保護(hù)裝置安裝在以太網(wǎng)磁芯后面的物理層收發(fā)機(jī)？在大部分情況下，安裝在收發(fā)機(jī)起到的保護(hù)優(yōu)勢明顯優(yōu)于安裝在端口的邊緣，主要就是變壓器對于浪涌電壓進(jìn)行了初步的衰減，同時(shí)，他還能夠保證電磁的兼容性，并且可以平衡各種各樣的浪涌情況，如圖7所示。

圖8是10/100 Base-T以太網(wǎng)供電保護(hù)（PoE）免于ESD和過電流威脅的例子，符合要求：IEC61000-4-2Level4（8kV/15kV）。表1是TVS電性參數(shù)表。

總結(jié)

相對于以前，在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，對于以太網(wǎng)的端口要求更加嚴(yán)格，高效率、小型化、多功能的以太網(wǎng)急切需要更先進(jìn)的保護(hù)電路，以對抗各種各樣的瞬態(tài)電壓。而瞬態(tài)二極管的使用，更具有先進(jìn)性，更能夠使大量的精密儀器免受瞬態(tài)電壓的破壞。