Comment concevoir

Nov 25, 2023

Par Steven Keeping, Digikey

Gigabit Ethernet (GbE) est un système de communication robuste à haut débit 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 soumises à des tensions et courants transitoires de haut niveau inattendus, et les décharges électrostatiques (ESD) constituent un risque permanent.

La couche physique GbE (PHY) comprend certains composants qui fournissent un degré de protection, comme le transformateur d'isolement. Mais l'atténuation intégrée des tensions transitoires ne peut pas être invoquée pour offrir une protection en toutes circonstances.

Les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) sont un dispositif de protection de circuit éprouvé, peu coûteux et robuste dans les applications à espace et contraintes de coût telles que GbE. En fonctionnement normal, les appareils apparaissent transparents. Pourtant, les appareils doivent protéger plusieurs canaux de communication contre les surintensités 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 du signal à haute vitesse.

Cet article décrit les défis de conception présentés par la protection GbE contre les transitoires haute tension et les décharges électrostatiques, 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 concevoir les dispositifs sélectionnés dans des systèmes de protection contre les transitoires selon des normes telles que CEI 61000-4-2, -4 et -5.

GbE est un système de communication filaire à haut débit. Les connexions en cuivre transportent 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 ESD qui pourraient endommager les éléments de circuit en silicium (Figure 1).

La conception du GbE PHY inclut un certain degré de protection via le transformateur d'isolation. La spécification GbE (IEEE 802.3) demande une isolation minimale de 2,1 kV. La plupart des transformateurs commerciaux offrent une isolation de 4 à 8 kV. De plus, les interfaces GbE incluent généralement une bobine d'arrêt en mode commun (CMC), une inductance utilisée pour bloquer le courant alternatif à haute fréquence afin de réduire les pics ESD. Un dernier degré de protection vient de la résiliation "Bob Smith". Celui-ci utilise une résistance de 75 ohms (Ω) pour implémenter une adaptation d'impédance en mode commun pour les paires de signaux connectées collectivement via un condensateur à la terre. La terminaison peut aider à réduire les émissions en mode commun discutées plus loin (Figure 2).

Se fier simplement au transformateur d'isolement GbE PHY, au CMC 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 en mode commun, tous les conducteurs GbE PHY 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).

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

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

La protection du GbE PHY nécessite 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 sont encombrants et peuvent être coûteux. Les fusibles sont une méthode peu coûteuse de blocage mais doivent être réinitialisés ou remplacés après chaque événement de déclenchement. Les diodes TVS sont un bon compromis ; ils suppriment efficacement la tension transitoire de crête à un niveau sûr, ne nécessitent pas de réinitialisation, sont compacts et d'un prix raisonnable.

Structurellement, une diode TVS est un dispositif ap-n spécialement conçu avec une grande surface de section de jonction pour absorber les courants et tensions transitoires élevés. Alors que les caractéristiques 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 (généralement en quelques nanosecondes) aux transitoires électriques, qui détourne l'énergie du transitoire en toute sécurité vers la terre tout en maintenant une tension de « serrage » constante, par rapport à d'autres dispositifs de suppression (Figure 5).

En fonctionnement normal, la diode TVS présente une impédance élevée au circuit pour des tensions allant jusqu'à sa tension de fonctionnement (VRWM). Lorsque la tension aux bornes de l'appareil dépasse la tension de claquage (VBR), un claquage par avalanche se produit dans la jonction de la diode, ce qui la fait «sauter» ou passer à un état passant à faible impédance. Cela abaisse la tension à un niveau fixé (VC) lorsque le courant d'impulsion de crête transitoire (IPP) traverse l'appareil. La tension maximale à laquelle le circuit protégé est soumis est égale à VC et est généralement modeste. Une fois que le courant diminue en dessous du courant de maintien (IH), la diode TVS revient à un état désactivé à haute impédance (Figure 6 et Tableau 1).

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 CEI 61000-4-2 (ESD), CEI 61000-4-4 (EFT) et CEI 61000-4-5 (foudre) .

La 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 capacité d'une diode TVS. La forme d'onde simule un coup d'éclairage indirect et atteint 90 % de sa valeur de courant de crête (tp) en 8 microsecondes (µs) et décroît à 50 % de sa valeur de crête en 20 µs. Les fiches techniques font souvent référence à cela sous le nom de "forme d'onde 8/20 µs" et fournissent des détails sur le courant d'impulsion de crête maximal (IPP) de la forme d'onde 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 éclair indirect de 1,2/50 µs (une surtension transitoire atteignant sa tension de crête en 1,2 µs et décroissant à 50 % de sa valeur de crête en 50 µs).

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

En plus du GbE, des diodes TVS sont disponibles pour la protection d'une gamme 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, fabrique une gamme de diodes TVS destinées à la protection de l'interface GbE. Les dispositifs sont fabriqués à l'aide d'une technologie de processus qui, selon Semtech, entraîne des réductions du courant de fuite et de la capacité par rapport à d'autres processus de diodes à avalanche au silicium. Un autre avantage de la gamme de produits est qu'elle dispose d'une faible tension de fonctionnement de 3,3 à 5 volts (selon la version) pour économiser de l'énergie.

Par exemple, la série RailClamp comprend le RCLAMP0512TQTCT qui convient à la protection d'interface 2,5 GbE. Cet appareil présente une capacité IPP de 20 ampères (A) (tp = 8/20 et 1,2/50 µs) et une puissance d'impulsion de crête (PPK) de 170 watts. La tension de tenue ESD est de +/-30 kV. Le VBR est de 9,2 volts (typ), IH est de 150 milliampères (mA) (typ) et VC est de 5 volts typique et 8,5 volts maximum (Figure 7).

Le RCLAMP0512TQ est un appareil compact dans un boîtier SGP1006N3T à 3 broches qui mesure 1,0 x 0,6 x 0,4 millimètres (mm).

Il existe d'autres produits de la série Semtech RailClamp qui offrent une meilleure protection pour les applications 1 GbE utilisées dans des situations potentiellement plus dangereuses. Le RCLAMP3374N.TCT, par exemple, présente une capacité IPP de 40 A (tp = 8/20 et 1,2/50 µs) et un PPK de 1 kilowatt (kW). La tension de tenue ESD est de +/-30 kV. VC est de 25 volts (max) lorsque IPP = 40 A. Le composant mesure 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

L'appareil de milieu de gamme de la gamme RailClamp est le RCLAMP3354S.TCT. Celui-ci convient à la protection 1 GbE et offre une capacité IPP de 25 A (tp = 8/20 et 1,2/50 µs) et un PPK de 400 watts. La tension de tenue ESD est de +/-30 kV. VC est de 16 volts (max) lorsque IPP = 25 A.

La figure 8 montre un schéma de protection GbE PHY utilisant le RCLAMP0512TQTCT. Les appareils sont situés du côté PHY du transformateur pour se protéger contre les surtensions en mode différentiel, avec un appareil placé sur chaque paire de lignes Ethernet. Les paires différentielles Ethernet sont acheminées via chaque composant de diode TVS aux broches 1 et 2, la broche 3 n'étant pas connectée.

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 Ethernet PHY, et de préférence du même côté de la carte de circuit imprimé (carte à circuit imprimé). Il est également utile que les connexions à la terre soient effectuées directement sur le plan de masse de la carte à 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 trajet du dispositif de protection augmente le VC auquel le dispositif protégé est exposé. VC est proportionnel à l'inductance du trajet multipliée par le taux de variation du courant pendant la surtension. Par exemple, seulement 1 nanohenry (nH) d'inductance de chemin peut augmenter le pic VC de 30 volts pour une impulsion ESD de 30 A avec un temps de montée de 1 nanoseconde (ns).

Notez que le transformateur Ethernet sélectionné devra survivre aux surtensions anticipées sans défaillance. Un transformateur Ethernet typique peut supporter quelques centaines d'ampères (tp = 8/20 µs) avant qu'une panne ne se produise, mais cela doit être vérifié par des tests. Alternativement, si l'immunité aux surtensions du transformateur est suspecte, 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 la capacité du système GbE à résister aux surtensions à haute énergie est limitée à la seule capacité du dispositif de protection.

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

Les diodes TVS sont une bonne option car elles suppriment efficacement la tension transitoire 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 ils sont disponibles dans une large gamme de capacités, y compris la protection contre les courants de crête. De plus, le respect de bonnes directives de conception, telles que la position et la mise à la terre, est recommandé pour maximiser la protection d'une diode TVS donnée.