Nouvelles

Sep 22, 2023

Comment concevoir

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

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 des courants transitoires inattendus de haut niveau, et les décharges électrostatiques (DES) constituent un risque permanent.

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

Les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) constituent un dispositif de protection de circuit éprouvé, peu coûteux et robuste dans les applications à espace et à coûts limités telles que le 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 quelques solutions commerciales au problème avant de montrer comment concevoir les dispositifs sélectionnés dans des systèmes de protection contre les transitoires conformes à 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 constitue également le mécanisme de transport idéal pour les tensions transitoires élevées et les événements ESD susceptibles d'endommager les éléments des circuits en silicium (Figure 1).

La conception du GbE PHY inclut un certain degré de protection via le transformateur d'isolement. La spécification GbE (IEEE 802.3) exige un isolement minimum 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 self de mode commun (CMC), une inductance utilisée pour bloquer le courant alternatif à haute fréquence afin de contribuer à réduire les pics ESD. Un dernier degré de protection vient de la terminaison « Bob Smith ». Celui-ci utilise une résistance de 75 ohms (Ω) pour mettre en œuvre une adaptation d'impédance en mode commun pour les paires de signaux connectées collectivement via un condensateur à la terre. La terminaison peut contribuer à réduire les émissions en mode commun évoquées plus loin (Figure 2).

Il est risqué de se fier simplement au transformateur d'isolement GbE PHY, au CMC et au circuit de terminaison pour une protection complète. Bien que les composants offrent une certaine atténuation des tensions transitoires, plusieurs circonstances 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 de mode commun, tous les conducteurs GbE PHY montent instantanément à la même tension par rapport à la terre. Tous les conducteurs étant 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 par la terre. Un chemin courant pour le flux de courant passe par le conducteur jusqu'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, via 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, entraîne 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 du côté secondaire du transformateur d'isolement pour se protéger contre ces surtensions.