Cómo diseñar

Por Steven Keeping, Digikey

Gigabit Ethernet (GbE) es un sistema de comunicación robusto y de alta velocidad de uso generalizado en instalaciones domésticas, comerciales e industriales. Sin embargo, los sistemas Ethernet presentan desafíos, particularmente cuando la conectividad se extiende más allá del edificio. Las líneas extendidas pueden estar sujetas a voltajes y corrientes transitorios inesperados de alto nivel, y las descargas electrostáticas (ESD) son un riesgo continuo.

La capa física GbE (PHY) incluye algunos componentes que brindan un grado de protección, como el transformador de aislamiento. Pero no se puede confiar en la mitigación de voltaje transitorio incorporada para ofrecer protección en todas las circunstancias.

Los diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS) son un dispositivo de protección de circuito probado, económico y robusto en aplicaciones con restricciones de espacio y costo, como GbE. En condiciones normales de funcionamiento, los dispositivos aparecen transparentes. Sin embargo, los dispositivos deben proteger múltiples canales de comunicación contra sobrecorrientes de hasta 40 amperios (A) y ESD de hasta 30 kilovoltios (kV), y mantener una capacitancia de carga baja en uso normal para garantizar la integridad de la señal de alta velocidad.

Este artículo describe los desafíos de diseño que presenta la protección ESD y transitoria de alto voltaje GbE, y luego considera las características únicas de los diodos TVS necesarios para la supresión de energía. Luego, el artículo describe algunas soluciones comerciales para el problema antes de mostrar cómo diseñar los dispositivos seleccionados en sistemas para protección contra transitorios según estándares como IEC 61000-4-2, -4 y -5.

GbE es un sistema de comunicación por cable de alta velocidad. Las conexiones de cobre transportan las señales diferenciales que representan los "ceros" y los "unos" que componen el flujo de señales digitales. Sin embargo, ese cable de cobre también es el mecanismo de transporte perfecto para voltajes transitorios altos y eventos de ESD que podrían dañar los elementos del circuito de silicio (Figura 1).

El diseño de GbE PHY incluye cierto grado de protección a través del transformador de aislamiento. La especificación GbE (IEEE 802.3) exige una clasificación de aislamiento mínima de 2,1 kV. La mayoría de los transformadores comerciales ofrecen aislamiento de 4 a 8 kV. Además, las interfaces GbE suelen incluir un estrangulador de modo común (CMC), un inductor que se utiliza para bloquear la CA de alta frecuencia para ayudar a reducir los picos de ESD. Un último grado de protección proviene de la terminación "Bob Smith". Esto utiliza una resistencia de 75 ohmios (Ω) para implementar una coincidencia de impedancia de modo común para pares de señales conectados colectivamente a través de un capacitor a tierra. La terminación puede ayudar a reducir las emisiones de modo común que se analizan más adelante (Figura 2).

Confiar simplemente en el transformador de aislamiento GbE PHY, el CMC y el circuito de terminación para una protección integral es arriesgado. Si bien los componentes ofrecen cierta mitigación de voltaje transitorio, hay varias circunstancias que dejan el puerto expuesto a daños.

Las excursiones de voltaje transitorio de GbE se pueden clasificar en naturaleza común o modo diferencial. Durante un transitorio de voltaje de modo común, todos los conductores GbE PHY aumentan instantáneamente al mismo voltaje con respecto a tierra. Como todos los conductores tienen el mismo potencial, no hay transferencia de corriente de un conductor a otro. En cambio, la corriente fluye a través de tierra. Una ruta común para el flujo de corriente es a través del conductor a tierra a través de la derivación del centro del transformador y a través del circuito de terminación (Figura 3).

La sobretensión de modo diferencial es diferente. La corriente fluye hacia el puerto GbE en una línea de señal del par diferencial, a través del transformador y sale del puerto por la otra línea de señal. La corriente transitoria que fluye a través del devanado primario del transformador induce un pico de corriente en el devanado secundario. Una vez que se elimina la sobretensión, la energía almacenada en el transformador se transferirá a donde se encuentra el frágil GbE PHY. Es esta energía transferida la que, en el mejor de los casos, produce pérdida de datos y fallos y, en el peor de los casos, provoca daños permanentes (Figura 4).

La Figura 4 muestra que la sobretensión de modo diferencial es la más peligrosa, ya que es la que expone el GbE PHY a voltajes potencialmente dañinos. Se necesita protección adicional en el lado secundario del transformador de aislamiento para proteger contra estas sobretensiones.

La protección de GbE PHY requiere dispositivos que puedan aislar, bloquear o suprimir los grandes pulsos de energía transitorios. Los transformadores adicionales pueden aislar completamente los componentes electrónicos de Ethernet, pero son voluminosos y pueden ser costosos. Los fusibles son un método económico de bloqueo, pero deben restablecerse o reemplazarse después de cada disparo. Los diodos TVS son un buen compromiso; suprimen eficazmente el voltaje transitorio pico a un nivel seguro, no requieren reinicio, son compactos y tienen un precio razonable.

Estructuralmente, un diodo TVS es un dispositivo ap-n diseñado específicamente con un área de sección transversal de unión grande para absorber corrientes y voltajes transitorios altos. Si bien las características de voltaje/corriente de un diodo TVS son similares a las de un diodo zener, los dispositivos están diseñados para la supresión de voltaje en lugar de la regulación de voltaje. Una ventaja clave de un diodo TVS es su rápida respuesta (generalmente en nanosegundos) a los transitorios eléctricos, desviando la energía del transitorio de manera segura a tierra mientras mantiene un voltaje de "sujeción" constante, en comparación con otros dispositivos de supresión (Figura 5).

Durante el funcionamiento normal, el diodo TVS presenta una alta impedancia al circuito para tensiones hasta su tensión de trabajo (VRWM). Cuando el voltaje a través de los terminales del dispositivo excede el voltaje de ruptura (VBR), se produce una ruptura de avalancha en la unión del diodo, lo que hace que "retroceda" o cambie a un estado de encendido de baja impedancia. Esto reduce el voltaje a un nivel fijo (VC) a medida que la corriente de pulso pico transitoria (IPP) fluye a través del dispositivo. La tensión máxima a la que está sujeto el circuito protegido es igual a VC y suele ser modesta. Una vez que la corriente disminuye por debajo de la corriente de retención (IH), el diodo TVS vuelve a un estado de alta impedancia (Figura 6 y Tabla 1).

Los diodos TVS de fabricantes acreditados están diseñados para proteger las interfaces y cumplir con los estrictos estándares de inmunidad detallados en documentos como IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) e IEC 61000-4-5 (relámpagos) .

IEC 61000-4-5, que especifica cómo probar la inmunidad a sobretensiones, proporciona detalles de la forma de onda de sobretensión típica utilizada para determinar la capacidad de un diodo TVS. La forma de onda simula una descarga de luz indirecta y alcanza el 90 % de su valor máximo de corriente (tp) en 8 microsegundos (µs) y decae hasta el 50 % de su valor máximo en 20 µs. Las hojas de datos a menudo se refieren a esto como la "forma de onda de 8/20 µs" y brindan detalles de la corriente de pulso pico (IPP) máxima de la forma de onda que el dispositivo de protección puede soportar. Las hojas de datos también suelen detallar la respuesta del producto a la forma de onda de sobrevoltaje asociada causada por un rayo indirecto de 1,2/50 µs (un sobrevoltaje transitorio que alcanza su voltaje máximo en 1,2 µs y decae hasta el 50 % de su valor máximo en 50 µs).

La otra característica clave de protección de un diodo TVS es su "voltaje soportado ESD". Este es el voltaje máximo de descarga de electricidad estática que el dispositivo de protección puede tolerar sin daño y es típicamente del orden de decenas de kV.

Además de GbE, los diodos TVS están disponibles para la protección de una variedad de interfaces, incluidas HDMI, USB tipo C, RS-485 y DisplayPort. Pero cada una de estas interfaces exige niveles sutilmente diferentes de protección. Eso hace que sea importante que el diodo TVS esté diseñado para la aplicación específica.

Semtech, por ejemplo, fabrica una gama de diodos TVS destinados a la protección de la interfaz GbE. Los dispositivos se fabrican utilizando una tecnología de proceso que, según Semtech, da como resultado reducciones en la corriente de fuga y la capacitancia en relación con otros procesos de diodos de avalancha de silicio. Otra ventaja de la gama de productos es que cuenta con un bajo voltaje de funcionamiento de 3,3 a 5 voltios (según la versión) para ahorrar energía.

Por ejemplo, la serie RailClamp incluye el RCLAMP0512TQTCT, que es adecuado para la protección de interfaz de 2,5 GbE. Este dispositivo cuenta con una capacidad IPP de 20 amperios (A) (tp = 8/20 y 1,2/50 µs) y una potencia de pulso máxima (PPK) de 170 vatios. La tensión soportada ESD es de +/-30 kV. El VBR es de 9,2 voltios (típico), IH es de 150 miliamperios (mA) (típico) y VC es de 5 voltios típico y 8,5 voltios máximo (Figura 7).

El RCLAMP0512TQ es un dispositivo compacto en un paquete SGP1006N3T de 3 pines que mide 1,0 x 0,6 x 0,4 milímetros (mm).

Hay otros productos en la serie RailClamp de Semtech que ofrecen mayor protección para aplicaciones de 1 GbE utilizadas en situaciones potencialmente más peligrosas. El RCLAMP3374N.TCT, por ejemplo, cuenta con una capacidad IPP de 40 A (tp = 8/20 y 1,2/50 µs) y un PPK de 1 kilovatio (kW). La tensión soportada ESD es de +/-30 kV. VC es de 25 voltios (máx.) cuando IPP = 40 A. El componente mide 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

El dispositivo de rango medio en la gama RailClamp es el RCLAMP3354S.TCT. Es adecuado para protección de 1 GbE y ofrece una capacidad IPP de 25 A (tp = 8/20 y 1,2/50 µs) y un PPK de 400 vatios. La tensión soportada ESD es de +/-30 kV. VC es de 16 voltios (máx.) cuando IPP = 25 A.

La Figura 8 muestra un esquema de protección GbE PHY que utiliza RCLAMP0512TQTCT. Los dispositivos están ubicados en el lado PHY del transformador para proteger contra sobretensiones de modo diferencial, con un dispositivo colocado en cada par de líneas Ethernet. Los pares diferenciales de Ethernet se enrutan a través de cada componente de diodo TVS en los pines 1 y 2, con el pin 3 no conectado.

El ingeniero debe limitar la inductancia parásita en la ruta de protección ubicando el componente de protección lo más cerca posible físicamente del magnetismo PHY de Ethernet, y preferiblemente en el mismo lado de la placa de circuito impreso (placa de circuito impreso). También ayuda si las conexiones a tierra se realizan directamente al plano de tierra de la placa de circuito impreso mediante microvías.

La reducción de la inductancia parásita es especialmente importante para suprimir transitorios de tiempo de subida rápidos. La inductancia en la ruta del dispositivo de protección aumenta el VC al que está expuesto el dispositivo protegido. VC es proporcional a la inductancia de la ruta multiplicada por la tasa de cambio de la corriente durante la sobretensión. Por ejemplo, solo 1 nanohenry (nH) de inductancia de ruta puede aumentar el pico de VC en 30 voltios para un pulso ESD de 30 A con un tiempo de subida de 1 nanosegundo (ns).

Tenga en cuenta que se requerirá que el transformador Ethernet seleccionado sobreviva las sobretensiones anticipadas sin fallar. Un transformador Ethernet típico puede soportar unos pocos cientos de amperios (tp = 8/20 µs) antes de que ocurra una falla, pero esto debe verificarse mediante pruebas. Alternativamente, si se sospecha de la inmunidad contra sobretensiones del transformador, el componente de protección se puede colocar en el lado de la línea del transformador. La desventaja es que la protección adicional proporcionada por el transformador se pierde y la capacidad del sistema GbE para resistir sobretensiones de alta energía se limita solo a la capacidad del dispositivo de protección.

GbE es un sistema de comunicación de alta velocidad confiable y generalizado, pero todos los sistemas que utilizan conductores están sujetos a transitorios de energía debido a fenómenos como rayos y ESD. Dichos picos son mitigados hasta cierto punto por el transformador del puerto GbE, la CMC y el circuito de terminación, pero los picos de modo diferencial pueden pasar por alto esta supresión y dañar la PHY de Ethernet. Se recomienda protección adicional para sistemas críticos.

Los diodos TVS son una buena opción porque suprimen eficazmente el voltaje transitorio máximo a un nivel seguro, no requieren reinicio y son compactos y de precio medio. Se recomienda una combinación cuidadosa del componente de protección con la aplicación, ya que están disponibles en una amplia gama de capacidades, incluida la protección contra picos de corriente. Además, se recomienda el cumplimiento de buenas pautas de diseño, como la posición y la conexión a tierra, para maximizar la protección de un diodo TVS determinado.