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100M/1000M以太网静电浪涌防护方案

方案简介

以太网是一种生产较早且广泛应用的局域网通讯方式，同时也是一种协议，其核心在于实现区域内（如办公室、学校等）的网络互联。根据数据传输速度的不同，以太网大致可以划分为几个等级：标准以太网（10Mbit/s），快速以太网（100Mbit/s），千兆以太网（1000Mbit/s），以及更快的万兆以太网（10Gbit/s）。然而，在日常使用环境中，考虑到成本效益和实际需求，快速以太网和千兆以太网往往已足够满足大多数组织和个人的网络需求。这两种技术不仅提供了稳定可靠的网络连接，还能有效支持视频会议、大文件传输、流媒体播放等多种网络应用。

由于以太网端口需要较远距离传输且走线环境多为户外和一些电磁环境较复杂的地方，极易引入各种干扰，包括静电放电和雷击事件，导致后端芯片的损坏、系统重启、死机等现象，所以以太网口必须实现防雷保护和ESD保护。此方案采用高温低漏电的ESD产品，保证100M/1000M以太网在高温85℃运行条件下数据传输不丢失，满足IEC 61000-4-2 Level 4静电放电及IEC 61000-4-5 Level 3 雷击浪涌防护需求。

ESD器件提供静电防护

ESD 是多个 TVS 晶粒或结合二极管采用不同的布局设计成具有特定功能的单路或多路ESD保护器件，主要应用于各类通信接口静电保护。ESD防护在瞬态事件突发时，需凭借超低线间电容来维持电路安全，同时丝毫不减损信号的纯净度与完整性。鉴于ESD器件与电路并联的布局，遭遇ESD静电放电冲击时，电路承受的电压即等同于ESD防护器件的钳位电压，故确保钳位电压尽可能低。所以，当100M/1000M以太网在选择合适的ESD防护器件时，需要考虑以下要求：

1.低电容（<1pF）

2.响应速度较快（纳秒级别）；  

3.经过若干次ESD冲击后，防护性能不退化且泄漏保持在低水平  

4.器件封装尺寸小，PCB设计空间充足

TSS器件提供浪涌防护

实现浪涌防护需要能够隔离、阻断或抑制大型瞬变能量脉冲的器件，TSS（开关型瞬态电压抑制二极管）是一种半导体工艺制成的PNPN结四层结构器件，当外加电压低于断态电压时，器件处于断开状态；当电压超过最大断态电压时，TSS管会将瞬态电压钳制到转折电压内；电压继续增大，TSS会由于负阻效应进入导通状态，近乎短路；当外加电压恢复正常，电流下降并低于维持电流，元件恢复截止状态。

相较于其他防护装置，TSS二极管的核心优势在于其超快的响应速度，通常在纳秒级别内即能发挥作用，迅速将瞬态能量安全地引导至地，同时保持一个稳定的钳位电压水平，从而有效保护电路免受浪涌损害。

应用示例

图1 100M以太网应用示例

 

我们为100M以太网提供了两种不同的防护器件，专为保护该接口的高速差分线路而设计，型号分别为SELC3D3V1BA和ES4200SCS。SELC3D3V1BA为一款超低电容瞬态电压抑制器阵列，其工作电压为 3.3V，符合IEC61000-4-2 4级ESD防护规范和IEC 61000-4-5 3级雷击浪涌防护规范，在 ±15kV空气放电、 ±15kV接触放电和2kV浪涌电压下提供瞬变保护。ES4200SCS是一款半导体放电管TSS，该器件的工作电压为400V，通常用于帮助保护敏感的电信设备，如通信线路信号线路和数据传输线路免受由雷电和设备切换操作引起的瞬变浪涌电压的损坏。

图2 1000M以太网应用示例

在100M以太网的防护基础上，1000M以太网添加了一款可供选择的TSS器件ES0640SCS，该器件的工作电压为58V。可根据不同使用场景和电压需求选择不同的TSS防护器件。

 

型号参数

规格型号

方向

工作电压(V)

IPP(A)

钳位电压(V)

结电容(pF)

封装

SELC3D3V1BA

Bi

3.3

14

20

0.8

SOD-323

规格型号

工作电压VDRM (V)

开关电压VS (V)

通态电压VT (V)

维持电流IH (mA)

结电容CO

(pF)

封装

ES4200SCS

400

520

4

5

50

SMB

ES0640SCS

58

77

4

125

100

SMB

总结与结论

以太网作为一种可靠广泛的高速通信方案，由于需要使用导体不可避免地受到诸如雷击和 ESD 等事件造成的能量瞬变的影响。ELECSUPER SEMI为这两种技术的以太网接口提供值得信赖的保护器件。以上解决方案是保护100M/1000M以太网接口的优选之策，确保电子通讯设备的稳定运行。网络端口因其需要较远距离传输且走线环境多为户外及一些电磁环境较复杂的地方，极易引入各种干扰，导致后端芯片的损坏、系统重启、死机等现象。此方案采用高温低漏电的TVS产品，保证在高温85℃运行条件下数据传输不丢失，满足IEC 61000-4-2 Level 4静电放电及IEC 61000-4-5 Leve 3 雷击浪涌防护需求。