Защита Ethernet-интерфейса от разрядов кабеля

И снова салют.

В начале этого года случилось мне сертифицировать одну разработку на предмет получения международных сертификатов типа CE, FCC, C-Tick и пр. А поскольку устройство достаточно сложное, то пришлось повозиться почти два месяца: то излучение одного интерфейса вылезет выше нормы, то Wi-Fi отваливается и USB OTG начинает хост просить при ESD-разрядах в 8 кВ… В итоге, естественно, получился хэппи энд и накопился некоторый опыт. О последнем подробнее…

Во-первых, пришлось изучить огромную кучу стандартов, что несомненно помогло. Например, лаборатории где проводят тестирование могут сделать тесты для устройства, для которого в стандарте есть лазейка и этот тест, хоть формально и необходим, но может быть “засчитан автоматом”. Или, другой пример, для некоторых тестов связанных с  наведенными помехами в стандарте есть оговорка, что тестированию подвергаются только кабели длиной более трёх метров, а тестовая лаборатория может провести тестирование для всех подряд. Вобщем при стоимости каждого теста несколько тысяч долларов, знание стандартов может помочь немного сэкономить.

Хотя есть в стандартах и пробелы. Например, тест на устойчивость к высоковольтным разрядам, прикладываемых к кабелю, оговаривает разные уровни для интерфейсных кабелей и кабелей несущих питающее DC-напряжение. А что делать с PoE? Никто на этот вопрос ответить так и не смог. В итоге после выжигания пары-тройки PoE-модулей двухкиловольтными разрядами решил рассматривать его всё же скорее как интерфейс :).

Во-вторых, современные стандарты на радиоизлучения ставят очень жесткие рамки. Превысить все пределы запросто можно схемой состоящей всего из одной микросхемы обычной логики. Что говорить о современном устройстве с множеством высокоскоростных интерфейсов… Уложиться в границы не то чтобы совсем нереально, но надо жестко следовать определенным правилам и тонкостям разработки схем и то еще не гарантирует успех в первой итерации. При этом особенно страдают производители цифровой техники широкого потребления, ибо их задача вывести новинку на рынок быстрее конкурентов, а временные затраты на повторную итерацию дизайна обходятся дорого. А так как для сертификации достаточно предоставить отчет о проведенных тестах в сертифицирующий орган, то закралось мне такое сомнение, что многие крупные фирмы позволяют себе… эээ… несколько приукрасить отчет :). Так, при тестировании на радиоизлучения использовавшиеся при этом в качестве вспомогательных модулей нетбук и Ethernet-свитч всемирно известных марок (называть не буду) так безбожно излучали, что перекрывали не только свои лимиты, но и менее жесткие мои. При этом стикеры на соответствие всем мировым стандартам естественно украшали днище каждого из устройств. “Спокойно” себя вели LCD-монитор Dell и Wi-Fi роутер Apple, свитч же пришлось совсем убрать из безэховой камеры, а нетбук полностью завернуть в два слоя алюминиевой фольги.

Ну и в-третьих, прочитаны мегабайты книг/советов/аппнотов/рекомендаций как по защите электронного оборудования от внешних воздействий, так и по уменьшению паразитного радиоизлучения. Самое, на мой взгляд, полезное будет появляться в рубрике ЭМС. Сегодня одна из обзорных статей, на примере Ethernet описывающая с какими задачами приходится стлакиваться разработчику при защите интерфейсных входов устройства.

ЗАЩИТА ETHERNET-ИНТЕРФЕЙСА ОТ РАЗРЯДОВ КАБЕЛЯ

Защита интерфейса Ethernet от разрядов возникающего в кабеле статического электричества может поставить непростую задачу перед инженером-разработчиком, потому что хорошая защита должна отвечать двум противоречивым критериям. Первый, и самый важный, защитное устройство должно эффективно ограничивать выбросы напряжения до безопасного уровня. Во-вторых, проектируемое устройство должно представлять собой достаточно малую емкостную нагрузку для высокоскоростных дифференциальных линий передачи. Хорошее планирование и адекватный выбор компонентов, подавляющих выбросы напряжения, может успешно защитить интерфейс Ethernet как от электростатических разрядов (ESD) так и от разрядов кабеля.

Разработка систем, обеспечивающих одновременно высокоскоростные коммуникации и отвечающих требованиям защиты от бросков напряжения является нетривиальной задачей. Современные Ethernet-трансиверы работают быстрее, потребляют меньше энергии и экономнее используют пространство на печатной плате. Но эти преимущества способствуют уменьшению уровня защиты от переходных бросков напряжения на уровне микросхемы. Таким образом, разработчику нужна улучшенная защита цепи на системном уровне, чтобы гарантировать нечувствительность Ethernet-систем к угрозам ESD и разрядов кабеля.

Разряды кабеля реальная и нередкая угроза для Ethernet-устройств. Инженер может рассматривать разряд кабеля как разновидность электростатического разряда (ESD), но следует помнить что он имеет иную характеристику переходного выброса. Ethernet-кабель (обычно неэкранированная витая пара категории 5 или 6) может рассматриваться как емкостной элемент способный сохранять значительный заряд. Этот кабель, длина которого может достигать до сотни метров, способен накопить существенный заряд благодаря трибоэлектрическому или индукционному эффектам. Простое волочение кабеля по ковру или вытаскивание его из настенного кожуха приведет к накоплению заряда. Поскольку витые пары категорий 5 и 6 обладают низкой утечкой, заряд может оставаться на проводниках кабеля в течение нескольких часов и разрядиться в Ethernet-порт когда пользователь подсоединит его к оборудованию. В последнем случае разряд прикладывается непосредственно к интерфейсной части схемы, что особенно опасно для Ethernet-порта. При разряде высоковольтный выброс напряжения и возникающий ток могут оказаться слишком высокими для микросхемы приемопередатчика Ethernet и привести к его временному отказу или полному повреждению.

Полупроводниковая промышленность осознаёт необходимость стандартных методов тестирования кабельных разрядов и в настоящее время Рабочая Группа 14 Ассоциации Электростатических Разрядов (ESDA) определяет стандартный метод тестирования такого рода разрядов. Эта работа должна определить методику тестирования, в настоящее время использующую форму тестового ESD-сигнала определенную в IEC 6100-4-2 и покрывающую тестирование на устойчивость систем к электростатическим разрядам моделью человеческого тела. Новый же метод определит форму энергии передаваемую посредством разряда кабеля, а не телом человека. В отличие от модели электростатического разряда человека, разряд кабеля сначала приводит к броску тока с последующим плато на графике характеристики и затем к колебательному сигналу с быстрой сменой полярности. Энергия разряда кабеля как правило более разрушительна для КМОП-структур чем энергия разряда человеческого тела.

Инженер может в определенной степени улучшить защиту Ethernet-порта посредством хорошей разводки печатной платы и внимательным выбором надежных компонентов. Но Ethernet-порты также требуют применения дополнительных защитных решений на схемотехническом уровне. К сожалению, некоторые схемы защиты отрицательно влияют на целостность сигнала, а некоторые предлагают неадекватный уровень защиты. Мы рекомендуем инженерам принимать во внимание следующие характеристики при выборе защиты Ethernet-порта:

- Быстрое время отклика

- Низкий уровень напряжения ограничения

- Малый ток утечки

- Малая ёмкость

- Способность выдерживать высокую энергию

- Оптимальная разводка печатной платы

Во-первых, эффективная защита Ethernet-устройств должна обеспечивать более быстрое время отклика чем переходный процесс испытываемый защищаемой системой. Так, чтобы безопасно подавить быстрый бросок напряжения во время электростатического или кабельного разряда, защитное устройство должно сработать в течение сотен пикосекунд. На рисунке показан пример схемы цепи защиты с временем отклика лежащем в субнаносекундном диапазоне. Установка защитных компонентов “после” Ethernet-трансформатора дополнительно уменьшает выбросы.

Во-вторых, хорошо разработанная цепь защиты должна обеспечивать низкое напряжение ограничения переходного импульса. Суппрессоры переходного напряжения (TVS-диоды) такие как RClamp2504N обеспечивают напряжение ограничения (V_C) равное всего четырем Вольтам при пиковом импульсном токе (I_PP) 1 Ампер. Их V_C возрастает линейно до 10 В при токе 25 А. Такая характеристика низковольтного ограничительного отклика обеспечивает существенный защитный запас для Ethernet-трансиверов.

Наконец, емкость защитной цепи должна оказывать минимальное влияние на целостность сигнала Ethernet. На скоростях интерфейса Gigabit Ethernet система больше не может рассматриваться как состоящая из элементов с сосредоточенными параметрами, а должна трактоваться как линия передачи в которой эффект емкостей компонентов становится существенным. Излишне емкостная нагрузка может приводить к отражению сигнала или несоответствию импедансов в линии передачи. Выбор компонентов с минимальной емкостью относительно соседних линий и относительно земли гарантирует низкий уровень искажений сигнала.

Скачать статью в формате PDF (107 кб)

Похожие статьи:

• Соединение устройств с различным питанием в одну шину I2C (0)
• Простой двунаправленный однопроводный приемопередатчик (1)
• Отладка без проводов (3)
• Измерение сопротивления без использования АЦП (3)
• Защита от обратной полярности с малым падением напряжения (3)