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來源：DigiKey 作者：Steven Keeping 千兆位以太網(wǎng) (GbE) 是一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)健、高速的通信系統(tǒng)，廣泛用于家庭、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。但是當(dāng)有意外的高電平瞬態(tài)電壓沖擊連接器時(shí)，這種穩(wěn)健性就會(huì)受到挑戰(zhàn)。這種瞬態(tài)事件可能是因?yàn)殚W電和靜電放電 (ESD) 造成的。如果沒有防護(hù)，電壓尖峰就會(huì)通過連接器并快速燒毀 GbE 物理層的 (PHY) 硅結(jié)構(gòu)。 因此毫不奇怪，GbE 的前端設(shè)計(jì)需要采用高度保護(hù)措施。我們通常使用隔離變壓器來實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)。GbE 規(guī)格 (IEEE 802.3) 針對(duì) GbE 前端定義了 2.1 千伏 (kV) 的最小隔離額定值，而大多數(shù)的商業(yè)變壓器提供的隔離額定能力為 4 至 8 kV。針對(duì) GbE 接口的附加保護(hù)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(yán)重性。 “Bob Smith” 端接也可進(jìn)一步增加防護(hù)程度。這種設(shè)計(jì)是以 Robert W. Smith 命名的，他在 1993 年申請(qǐng)了這種設(shè)計(jì)的專利，該專利現(xiàn)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(duì)外界干擾的敏感性”。在 GbE 應(yīng)用中，Bob Smith 端接通常使用 75 歐姆 (Ω) 電阻器來實(shí)現(xiàn)共模阻抗匹配，以幫助減少通過電容器與地相連的信號(hào)對(duì)的共模輻射（圖 1）。 
圖 1：千兆位以太網(wǎng)系統(tǒng)中每個(gè)通道的前端電壓尖峰和 ESD 保護(hù)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(hù)之比較 作為設(shè)計(jì)人員，在實(shí)現(xiàn) GbE 保護(hù)時(shí)有三種標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。選項(xiàng)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(shè)計(jì)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(hù)水平，與其他選擇相比，您可以在這些元件上節(jié)省一些成本，并享受到原創(chuàng)設(shè)計(jì)帶來的滿足感。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)過程比較麻煩，可能需要花費(fèi)一些時(shí)間，而且單個(gè)元件比集成解決方案占用的空間更多。 選項(xiàng)二是選擇將變壓器和 CMC 集成到其中的單個(gè)模塊。該模塊可將多個(gè)變壓器和 CMC 集成到一個(gè)組件中，以適應(yīng)多個(gè)通道。這樣做的好處是節(jié)省空間，設(shè)計(jì)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(chǎn)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(shè)備 (SMD)。該元件可保護(hù)四個(gè)通道，電感為 350 微亨 (µH)，60 至 100 兆赫 (MHz) 頻率范圍內(nèi)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(cè)試。 選項(xiàng)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(shè)計(jì)。代價(jià)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(gè)保護(hù)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(nèi)的差分 CMRR 為 -28 dB，通過了一分鐘 1500 伏特 (RMS) 絕緣電壓測(cè)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(hù)。（圖片來源：Würth Elektronik） 使用集成保護(hù)功能的 RJ45 連接器可節(jié)省大量空間，因此該元件適用于空間有限的應(yīng)用（圖 3）。
圖 3：與獨(dú)立組件 (a) 相比，將 GbE 保護(hù)功能集成到 RJ45 連接器 (b) 中可省去保護(hù)模塊，且節(jié)省了 PC 板空間。（圖片來源：Würth Elektronik） 測(cè)試電磁兼容性 您可能會(huì)問，將電路緊緊包裹在 RJ45 連接器中是否會(huì)破壞電路提供的保護(hù)。Würth Elektronik 在一份內(nèi)容豐富的題為“從電磁兼容性角度看千兆位以太網(wǎng)接口”的應(yīng)用說明 (ANP116) 中給出了答案，在該應(yīng)用說明中，Würth Elektronik 測(cè)試了圖 3 (a) 和 (b) 所示的參考設(shè)計(jì)。 其中重要的一點(diǎn)是以太網(wǎng)電纜對(duì)千兆位以太網(wǎng)系統(tǒng)電磁兼容性 (EMC) 的影響：事實(shí)證明，電纜類型不會(huì)對(duì) EMC 行為產(chǎn)生重大影響，但與屏蔽設(shè)計(jì)相比，非屏蔽電纜（也許并不令人驚訝）會(huì)表現(xiàn)出更高的干擾發(fā)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(yīng)用說明中總結(jié)道，這兩種參考設(shè)計(jì)在電磁兼容性 (EMC) 方面存在差異，主要表現(xiàn)在對(duì)高壓“突變”電平的耐受性上。 當(dāng)切換電感電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，從而產(chǎn)生突變。這種突變干擾會(huì)強(qiáng)耦合到以太網(wǎng)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。如果需要在高突變級(jí)別電磁兼容環(huán)境下提高性能，建議采用分立（模塊）以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)。 除了受到突變干擾時(shí)的 EMC 差異外，這兩種類型的 EMC 行為相當(dāng)，在 1 千兆赫 (GHz) 頻率范圍內(nèi)，這兩種設(shè)計(jì)的 EMC 始終優(yōu)于美國聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 針對(duì)住宅設(shè)備的至少 10 dB 的 B 類認(rèn)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(fā)射）與 FCC 住宅設(shè)備 B 類認(rèn)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(tài)。屏蔽電纜可進(jìn)一步減少輻射。 使用設(shè)計(jì)套件試驗(yàn)變壓器選項(xiàng) 由于電路保護(hù)是千兆位以太網(wǎng)安裝的強(qiáng)制性要求，多年來組件經(jīng)過不斷改進(jìn)，相應(yīng)電路設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟。因此，參考設(shè)計(jì)和分立元件允許工程師構(gòu)建自己的實(shí)現(xiàn)方案，但許多商業(yè)選擇也提供集成解決方案。 Würth Elektronik 就提供了一個(gè)方便的設(shè)計(jì)套件 749945。該套件包含很多 WE-RJ45 LAN 變壓器實(shí)例器件，您可以隨意使用。 結(jié)語 GbE 電路保護(hù)的常用選項(xiàng)包括集成了保護(hù)電路且位于 RJ45 連接器和 GbE PHY 之間的模塊，或者將保護(hù)電路置于外殼內(nèi)而無需模塊的 RJ45 連接器。在空間和前端設(shè)計(jì)靈活性之間進(jìn)行取舍時(shí)，兩種選項(xiàng)都能提供認(rèn)證范圍的保護(hù)。 |
