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來源：DigiKey 作者：Steven Keeping 千兆位以太網 (GbE) 是一個相當穩健、高速的通信系統，廣泛用于家庭、商業和工業領域。但是當有意外的高電平瞬態電壓沖擊連接器時，這種穩健性就會受到挑戰。這種瞬態事件可能是因為閃電和靜電放電 (ESD) 造成的。如果沒有防護，電壓尖峰就會通過連接器并快速燒毀 GbE 物理層的 (PHY) 硅結構。 因此毫不奇怪，GbE 的前端設計需要采用高度保護措施。我們通常使用隔離變壓器來實現這種保護。GbE 規格 (IEEE 802.3) 針對 GbE 前端定義了 2.1 千伏 (kV) 的最小隔離額定值，而大多數的商業變壓器提供的隔離額定能力為 4 至 8 kV。針對 GbE 接口的附加保護則采用共模扼流圈 (CMC) 形式，使用電感器阻斷高頻交流電 (AC)，從而幫助降低 ESD 尖峰的嚴重性。 “Bob Smith” 端接也可進一步增加防護程度。這種設計是以 Robert W. Smith 命名的，他在 1993 年申請了這種設計的專利，該專利現已過期。該專利涵蓋“一種用于端接電纜的裝置，以盡量減少電纜的輻射和電纜對外界干擾的敏感性”。在 GbE 應用中，Bob Smith 端接通常使用 75 歐姆 (Ω) 電阻器來實現共模阻抗匹配，以幫助減少通過電容器與地相連的信號對的共模輻射（圖 1）。 
圖 1：千兆位以太網系統中每個通道的前端電壓尖峰和 ESD 保護通常由隔離變壓器、CMC 和 Bob Smith 端接組成。（圖片來源：Würth Elektronik） 分立式與集成式 GbE 保護之比較 作為設計人員，在實現 GbE 保護時有三種標準選項。選項一是選擇自己的變壓器、CMC、Bob Smith 端接和其他接地元件，然后為 PC 板設計電路。這樣做的好處是，您可以通過選擇高端元件來最大限度地提高保護水平，與其他選擇相比，您可以在這些元件上節省一些成本，并享受到原創設計帶來的滿足感。缺點是設計過程比較麻煩，可能需要花費一些時間，而且單個元件比集成解決方案占用的空間更多。 選項二是選擇將變壓器和 CMC 集成到其中的單個模塊。該模塊可將多個變壓器和 CMC 集成到一個組件中，以適應多個通道。這樣做的好處是節省空間，設計周期更短，但可能仍需要包括 Bob Smith 端接和其他接地元件。 Würth Elektronik 在其 WE-LAN 產品線中提供了一系列此類模塊。例如 749020310 WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T 表面貼裝設備 (SMD)。該元件可保護四個通道，電感為 350 微亨 (µH)，60 至 100 兆赫 (MHz) 頻率范圍內的差分共模抑制比 (CMRR) 為 -30 分貝 (dB)，且通過了一分鐘 1500 伏特 (RMS) 絕緣電壓測試。 選項三是選擇帶有集成變壓器和 CMC 的 RJ45 連接器。這是最緊湊的設計。代價是缺乏 GbE 前端組件的靈活性。Würth Elektronik 的 7499611420 WE-RJ45LAN 變壓器 10/100/1000/10G Base-T 就是這樣一種 RJ45 連接器，它集成了四個保護通道，包括變壓器、CMC 甚至是 75 Ω 端接電阻。該連接器的電感為 120 µH，1 至 100 MHz 頻率范圍內的差分 CMRR 為 -28 dB，通過了一分鐘 1500 伏特 (RMS) 絕緣電壓測試（圖 2）。
圖 2：Würth Elektronik 的 7499611420 集成了四通道隔離變壓器、CMC 和端接電阻器保護。（圖片來源：Würth Elektronik） 使用集成保護功能的 RJ45 連接器可節省大量空間，因此該元件適用于空間有限的應用（圖 3）。
圖 3：與獨立組件 (a) 相比，將 GbE 保護功能集成到 RJ45 連接器 (b) 中可省去保護模塊，且節省了 PC 板空間。（圖片來源：Würth Elektronik） 測試電磁兼容性 您可能會問，將電路緊緊包裹在 RJ45 連接器中是否會破壞電路提供的保護。Würth Elektronik 在一份內容豐富的題為“從電磁兼容性角度看千兆位以太網接口”的應用說明 (ANP116) 中給出了答案，在該應用說明中，Würth Elektronik 測試了圖 3 (a) 和 (b) 所示的參考設計。 其中重要的一點是以太網電纜對千兆位以太網系統電磁兼容性 (EMC) 的影響：事實證明，電纜類型不會對 EMC 行為產生重大影響，但與屏蔽設計相比，非屏蔽電纜（也許并不令人驚訝）會表現出更高的干擾發射率和更低的抗擾度（最低到 20 dB）。 電纜如此，前端組件呢？Würth Elektronik 在此應用說明中總結道，這兩種參考設計在電磁兼容性 (EMC) 方面存在差異，主要表現在對高壓“突變”電平的耐受性上。 當切換電感電路時會產生火花，從而產生突變。這種突變干擾會強耦合到以太網導體結構中。如果需要在高突變級別電磁兼容環境下提高性能，建議采用分立（模塊）以太網接口設計。 除了受到突變干擾時的 EMC 差異外，這兩種類型的 EMC 行為相當，在 1 千兆赫 (GHz) 頻率范圍內，這兩種設計的 EMC 始終優于美國聯邦通信委員會 (FCC) 針對住宅設備的至少 10 dB 的 B 類認證限制（圖 4）。
圖 4：分立式（模塊）和集成式（RJ45 連接器）EMC 性能（輻射干擾發射）與 FCC 住宅設備 B 類認證限制的比較。（圖片來源：Würth Elektronik） 圖 4 是最糟糕的情況，非屏蔽電纜處于水平天線極化狀態。屏蔽電纜可進一步減少輻射。 使用設計套件試驗變壓器選項 由于電路保護是千兆位以太網安裝的強制性要求，多年來組件經過不斷改進，相應電路設計已經成熟。因此，參考設計和分立元件允許工程師構建自己的實現方案，但許多商業選擇也提供集成解決方案。 Würth Elektronik 就提供了一個方便的設計套件 749945。該套件包含很多 WE-RJ45 LAN 變壓器實例器件，您可以隨意使用。 結語 GbE 電路保護的常用選項包括集成了保護電路且位于 RJ45 連接器和 GbE PHY 之間的模塊，或者將保護電路置于外殼內而無需模塊的 RJ45 連接器。在空間和前端設計靈活性之間進行取舍時，兩種選項都能提供認證范圍的保護。 |
