디자인하는 방법

작성자: Steven Keeping, Digikey

기가비트 이더넷(GbE)은 가정, 상업 및 산업 시설 전반에 걸쳐 널리 사용되는 강력한 고속 통신 시스템입니다. 그러나 이더넷 시스템에는 특히 연결이 건물 외부로 확장될 때 문제가 발생합니다. 확장된 라인은 예상치 못한 높은 수준의 과도 전압 및 전류에 노출될 수 있으며 정전기 방전(ESD)은 지속적인 위험입니다.

GbE PHY(물리 계층)에는 절연 변압기와 같이 일정 수준의 보호를 제공하는 일부 구성 요소가 포함되어 있습니다. 그러나 내장된 과도 전압 완화 기능이 모든 상황에서 보호 기능을 제공한다고 신뢰할 수는 없습니다.

TVS(과도 전압 억제) 다이오드는 GbE와 같이 공간 및 비용이 제한된 애플리케이션에서 입증되고 저렴하며 견고한 회로 보호 장치입니다. 정상 작동 시 장치는 투명하게 나타납니다. 하지만 장치는 최대 40A(암페어)의 서지 전류와 최대 30kV(킬로볼트)의 ESD로부터 여러 통신 채널을 보호해야 하며 고속 신호 무결성을 보장하기 위해 일반적인 사용 시 낮은 부하 정전 용량을 유지해야 합니다.

이 기사에서는 GbE 고전압 과도 및 ESD 보호로 인한 설계 문제를 설명한 다음 에너지 억제에 필요한 TVS 다이오드의 고유한 특성을 고려합니다. 그런 다음 기사에서는 IEC 61000-4-2, -4 및 -5와 같은 표준에 대한 과도 보호를 위해 선택한 장치를 시스템으로 설계하는 방법을 보여주기 전에 문제에 대한 몇 가지 상용 솔루션을 설명합니다.

GbE는 유선 고속 통신 시스템입니다. 구리 연결은 디지털 신호 스트림을 구성하는 "0"과 "1"을 나타내는 차동 신호를 전달합니다. 그러나 해당 구리선은 실리콘 회로 요소를 손상시킬 수 있는 높은 과도 전압 및 ESD 이벤트에 대한 완벽한 전송 메커니즘이기도 합니다(그림 1).

GbE PHY의 설계에는 절연 변압기를 통한 어느 정도의 보호가 포함되어 있습니다. GbE 사양(IEEE 802.3)에서는 2.1kV의 최소 절연 등급을 요구합니다. 대부분의 상업용 변압기는 4~8kV 절연을 제공합니다. 또한 GbE 인터페이스에는 일반적으로 ESD 스파이크를 줄이기 위해 고주파수 AC를 차단하는 데 사용되는 인덕터인 공통 모드 초크(CMC)가 포함되어 있습니다. 최종 보호 수준은 "Bob Smith" 종료에서 비롯됩니다. 이는 75옴(Ω) 저항을 사용하여 커패시터를 통해 접지에 집합적으로 연결된 신호 쌍에 대한 공통 모드 임피던스 매칭을 구현합니다. 종단은 나중에 설명할 공통 모드 방출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다(그림 2).

포괄적인 보호를 위해 단순히 GbE PHY 절연 변압기, CMC 및 종단 회로에만 의존하는 것은 위험합니다. 구성 요소가 일시적인 전압 완화 기능을 제공하지만 포트가 손상될 수 있는 여러 가지 상황이 있습니다.

GbE 과도 전압 편위는 본질적으로 공통 모드 또는 차동 모드로 분류될 수 있습니다. 공통 모드 전압 과도 동안 모든 GbE PHY 도체는 접지에 대해 동일한 전압으로 즉시 상승합니다. 모든 도체는 동일한 전위에 있기 때문에 한 도체에서 다른 도체로 전류가 전달되지 않습니다. 대신 전류가 접지로 흐릅니다. 전류 흐름의 일반적인 경로는 변압기 중앙 탭과 종단 회로를 거쳐 접지까지 도체를 통과하는 것입니다(그림 3).

차동 모드 서지는 다릅니다. 전류는 차동 쌍의 한 신호 회선에 있는 GbE 포트로 흘러 변압기를 거쳐 다른 신호 회선의 포트 밖으로 다시 흘러나옵니다. 변압기의 1차 권선을 통해 흐르는 과도 전류는 2차 권선에 전류 서지를 유도합니다. 서지가 제거되면 변압기에 저장된 에너지가 취약한 GbE PHY가 있는 곳으로 전송됩니다. 기껏해야 데이터 손실과 결함을 초래하고 최악의 경우 영구적인 손상을 초래하는 것은 바로 이러한 전달된 에너지입니다(그림 4).

그림 4는 차동 모드 서지가 GbE PHY를 잠재적으로 손상을 주는 전압에 노출시키는 것이므로 가장 위험하다는 것을 보여줍니다. 이러한 서지로부터 보호하려면 절연 변압기의 2차측에 추가 보호가 필요합니다.