Como Incluir no Projeto Diodos TVS para Proteger a Ethernet Gigabit contra Transientes de Tensão e Corrente

Gigabit Ethernet (GbE) é um sistema de comunicação robusto e de alta velocidade muito utilizado em instalações domésticas, comerciais e industriais. Entretanto, os sistemas Ethernet apresentam desafios, particularmente quando a conectividade se estende além da construção. As linhas estendidas podem estar sujeitas a inesperadas tensões e correntes transitórias de alto nível, e as descargas eletrostáticas (ESD) são um risco contínuo.

A camada física GbE (PHY) inclui alguns componentes que proporcionam um grau de proteção, tais como o transformador isolador. Mas não se pode confiar na mitigação incorporada da tensão transiente para oferecer proteção em todas as circunstâncias.

Os diodos de supressão de transiente de tensão (TVS) são um dispositivo de proteção de circuito comprovado, barato e robusto para aplicações com restrições de espaço e custo, como GbE. Sob operação normal, os dispositivos parecem transparentes. No entanto, os dispositivos devem proteger múltiplos canais de comunicação contra correntes de pico de até 40 amperes (A) e ESDs de até 30 quilovolts (kV), e manter uma baixa capacitância de carga em uso normal para garantir a integridade do sinal de alta velocidade.

Este artigo descreve os desafios de projeto apresentados pela proteção contra altas tensões transitórias e ESD para GbE e depois considera as características únicas dos diodos TVS necessários para a supressão de energia. O artigo descreve então algumas soluções comerciais para o problema antes de mostrar como projetar os dispositivos selecionados em sistemas de proteção contra transientes segundo as normas como IEC 61000-4-2, -4 e -5.

Os perigos representados pelos efeitos das tensões transitórias

GbE é um sistema de comunicação cabeado de alta velocidade. As conexões de cobre carregam os sinais diferenciais que representam os "zeros" e "uns" que compõem o fluxo de sinal digital. Entretanto, esse fio de cobre é também o mecanismo de transporte perfeito para altas tensões transitórias e eventos ESD que poderiam danificar elementos dos circuitos de silício (Figura 1).

Figura 1: sem proteção, as PHYs GbE podem ser destruídas por altas tensões transitórias e ESD. (Fonte da imagem: Semtech)

O projeto da PHY GbE inclui algum grau de proteção pelo transformador isolador. A especificação GbE (IEEE 802.3) exige uma classificação mínima de isolamento de 2,1 kV. A maioria dos transformadores comerciais oferece isolamento de 4 a 8 kV. Além disso, as interfaces GbE normalmente incluem uma bobinas de choque de modo comum (CMC), um indutor usado para bloquear CA de alta frequência para ajudar a reduzir os picos de ESD. Um grau final de proteção vem da terminação "Bob Smith". Ela usa um resistor de 75 ohms (Ω) para implementar um casamento de impedância de modo comum para pares de sinais conectados coletivamente através de um capacitor ao terra. A terminação pode ajudar a reduzir as emissões de modo comum que falaremos posteriormente (Figura 2).

Figura 2: a camada física GbE inclui alguma proteção embutida contra tensões transientes, incluindo um transformador isolador, uma bobina de choque modo comum e um circuito de terminação de resistor. (Fonte da imagem: Semtech)

O simples fato de confiar no transformador isolador da PHY GbE, no CMC e no circuito de terminação para uma proteção abrangente é arriscado. Enquanto os componentes oferecem alguma atenuação de tensão transiente, há várias circunstâncias que deixam a porta exposta a danos.

As excursões de tensão transiente GbE podem ser classificadas tanto em modo comum quanto em modo diferencial na natureza. Durante um transiente de tensão de modo comum, todos os condutores da PHY GbE sobem instantaneamente à mesma tensão em relação ao terra. Como todos os condutores estão no mesmo potencial, não há transferência de corrente de um condutor para outro. Em vez disso, a corrente flui para o solo. Um caminho comum para o fluxo de corrente é através do condutor do terra através da derivação central do transformador e através do circuito de terminação (Figura 3).

Figura 3: uma corrente de modo comum de alta tensão transiente flui através do conector RJ-45 para o terra através da derivação central do transformador isolador. (Fonte da imagem: Semtech)

O surto do modo diferencial é diferente. A corrente flui para a porta GbE em uma linha de sinal do par diferencial, através do transformador, e de volta para fora da porta por outra linha de sinal. A corrente transiente que flui através do enrolamento primário do transformador induz um surto de corrente no enrolamento secundário. Quando o surto for removido, a energia armazenada no transformador será transferida para onde se encontra a frágil PHY GbE. É esta energia transferida que, na melhor das hipóteses, resulta em perda de dados e falhas e, na pior das hipóteses, leva a danos permanentes (Figura 4).

Figura 4: um surto de modo diferencial induz uma corrente através do transformador isolador que pode danificar circuitos eletrônicos sensíveis. (Fonte da imagem: Semtech)

A Figura 4 mostra que o surto de modo diferencial é o mais perigoso, pois é o que expõe a PHY GbE a tensões potencialmente prejudiciais. Uma proteção adicional é necessária no lado secundário do transformador isolador para proteger contra esses surtos.

Utilização de diodos TVS para proteção contra surtos

A proteção da PHY GbE requer dispositivos que possam isolar, bloquear ou suprimir os grandes pulsos de energia transiente. Transformadores adicionais podem isolar totalmente a eletrônica Ethernet, mas são volumosos e podem ser caros. Os fusíveis são um método barato de bloqueio, mas devem ser reiniciados ou substituídos após cada evento de disparo. Os diodos TVS são um bom comprometimento; eles suprimem efetivamente a tensão transiente de pico a um nível seguro, não requerem reinicialização, são compactos e têm um preço razoável.

Estruturalmente, um diodo TVS é um dispositivo p-n projetado especificamente com uma grande área de seção transversal de junção para absorver altas correntes e tensões transientes. Enquanto as características de tensão/corrente de um diodo TVS são similares às de um diodo zener, os dispositivos são projetados para supressão de tensão em vez de regulagem de tensão. Uma vantagem-chave de um diodo TVS é sua resposta rápida (normalmente dentro de nanossegundos) aos transientes elétricos — desviando a energia do transiente com segurança para o terra enquanto mantém uma tensão de "grampeamento" constante — comparada a outros dispositivos de supressão (Figura 5).

Figura 5: um diodo TVS fornece um caminho de baixa impedância para o terra para tensões transitórias acima de um nível limite. Como resultado, o circuito protegido está sujeito apenas a uma tensão segura. (Fonte da imagem: Semtech)

Durante o funcionamento normal, o diodo TVS apresenta uma alta impedância ao circuito para tensões até sua tensão de trabalho (V_RWM). Quando a tensão entre os terminais do dispositivo excede a tensão de ruptura (V_BR), a ruptura por avalanche ocorre na junção do diodo causando o "snap-back" ou a mudança para um estado de baixa impedância. Isso reduz a tensão a um nível de grampeamento (V_C) à medida que a corrente de pico transiente (I_PP) flui através do dispositivo. A tensão máxima a que o circuito protegido fica sujeito é igual a V_C e é tipicamente baixa. Uma vez que a corrente cai abaixo da corrente de retenção (I_H), o diodo TVS retorna a um estado desligado de alta impedância (Figura 6 e Tabela 1).

Figura 6: características operacionais do diodo TVS. Na tensão de ruptura, o componente muda para um estado ligado de baixa impedância e diminui a tensão para um nível de grampeamento seguro à medida que o pico de corrente transiente passa. (Fonte da imagem: Semtech)

Tabela 1: definições dos parâmetros para a Figura 6. (Fonte da tabela: Semtech)

Os diodos TVS de fabricantes conceituados são projetados para proteger interfaces e, ao mesmo tempo, atender aos rígidos padrões de imunidade detalhados em documentos como IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) e IEC 61000-4-5 (descargas atmosféricas).

A IEC 61000-4-5, que especifica como testar a imunidade a surtos, fornece detalhes da forma de onda típica do surto usada para determinar a capacidade de um diodo TVS. A forma de onda simula uma descarga atmosférica indireta e atinge 90% de seu valor de corrente de pico (tp) em 8 microssegundos (µs) e decai para 50% de seu valor de pico em 20 µs. As fichas técnicas geralmente se referem a isso como a "forma de onda 8/20 µs" e fornecem detalhes da máxima corrente de pico (I_PP) da forma de onda que o dispositivo de proteção pode suportar. Normalmente, as fichas técnicas também detalham a resposta do produto à forma de onda do surto de tensão associada causada por uma descarga atmosférica indireta de 1,2/50 µs (um surto transitório atingindo sua tensão de pico em 1,2 µs e decaindo para 50 por cento de seu valor de pico em 50 µs).

A outra característica-chave de proteção de um diodo TVS é sua "tensão ESD resistente". Essa é a tensão máxima de descarga de eletricidade estática que o dispositivo de proteção pode tolerar sem danos e é tipicamente da ordem de dezenas de kV.

Diodos TVS para proteção PHY GbE

Além da GbE, os diodos TVS estão disponíveis para a proteção de uma variedade de interfaces, incluindo HDMI, USB tipo C, RS-485 e DisplayPort. Mas cada uma dessas interfaces exige níveis de proteção sutilmente diferentes. Isso torna importante que o diodo TVS seja projetado para a aplicação específica.

A Semtech, por exemplo, fabrica uma variedade de diodos TVS voltados para a proteção da interface GbE. Os dispositivos são fabricados utilizando uma tecnologia de processo que, segundo a Semtech, resulta em reduções de corrente de fuga e capacitância em relação a outros processos de díodos de silício-avalanche. Uma outra vantagem dessa variedade de produtos é que ela apresenta uma baixa tensão de operação de 3,3 a 5 volts (dependendo da versão) para economizar energia.

Por exemplo, a série RailClamp inclui o RCLAMP0512TQTCT que é adequado para a proteção da interface 2.5 GbE. Esse dispositivo apresenta uma capacidade de I_PP de 20 amperes (A) (tp = 8/20 e 1,2/50 µs) e um pico de potência (P_PK) de 170 watts. Suporta uma tensão ESD de +/-30 kV. A V_BR é de 9,2 volts (tip), a I_H é de 150 miliamperes (mA) (tip) e a V_C é de 5 volts típico e 8,5 volts máximo (Figura 7).

Figura 7: as características de tensão de grampeamento do RCLAMP0512TQTCT quando submetido a uma tensão de 1,2/50 µs e um pico de corrente 8/20 µs de 20 A. Após um pico de curta duração, a tensão de grampeamento se fixa abaixo de 5 volts, protegendo a PHY GbE. (Fonte da imagem: Semtech)

O RCLAMP0512TQ é um dispositivo compacto em um invólucro SGP1006N3T de 3 pinos que mede 1,0 x 0,6 x 0,4 milímetros (mm).

Existem outros produtos da série RailClamp da Semtech que oferecem maior proteção para aplicações 1 GbE usadas em situações potencialmente de maior risco. O RCLAMP3374N.TCT, por exemplo, apresenta uma capacidade de I_PP de 40 A (tp = 8/20 e 1,2/50 µs) e uma P_PK de 1 quilowatt (kW). Suporta uma tensão ESD de +/-30 kV. A V_C é de 25 volts (máx.) quando I_PP = 40 A. O componente mede 3,0 x 2,0 x 0,60 mm.

O dispositivo mediano na linha RailClamp é o RCLAMP3354S.TCT. Ele é adequado para proteção de 1 GbE e oferece uma capacidade de I_PP de 25 A (tp = 8/20 e 1,2/50 µs) e uma P_PK de 400 watts. Suporta uma tensão ESD de +/-30 kV. A V_C é de 16 volts (máx.) quando I_PP = 25 A.

Projetando a proteção de diodos TVS

A figura 8 mostra um esquema de proteção PHY GbE utilizando o RCLAMP0512TQTCT. Os dispositivos estão localizados no lado PHY do transformador para proteger contra surtos de modo diferencial, com um dispositivo colocado entre cada par de linhas Ethernet. Os pares diferenciais Ethernet são roteados através de cada componente do diodo TVS nos pinos 1 e 2, com o pino 3 não conectado.

Figura 8: os componentes de proteção por diodos TVS são colocados no lado PHY Ethernet dos transformadores, entre cada par de linhas diferenciais e o mais próximo possível dos magnéticos da PHY. (Fonte da imagem: Semtech)

O engenheiro deve limitar a indutância parasita no caminho de proteção localizando fisicamente o componente de proteção o mais próximo possível dos magnéticos da PHY Ethernet e de preferência no mesmo lado da placa de circuito impresso (pci). Também ajuda se as conexões do terra forem feitas diretamente no plano de terra da placa pci usando microvias.

A redução da indutância parasita é especialmente importante para suprimir as transientes de tempo de aumento rápido. A indução no caminho do dispositivo de proteção aumenta a V_C a qual o dispositivo protegido está exposto. A V_C é proporcional à indutância do caminho multiplicada pela taxa de mudança de corrente durante o surto. Por exemplo, apenas 1 nanohenry (nH) de indutância no caminho pode aumentar o pico da V_C em 30 volts para um pulso ESD de 30 A com um tempo de subida de 1 nanossegundo (ns).

Observe que será necessário que o transformador Ethernet selecionado sobreviva a surtos antecipados sem falhas. Um transformador Ethernet típico pode suportar algumas centenas de amperes (tp = 8/20 µs) antes que ocorra uma falha, mas isso precisa ser verificado através de testes. Como alternativa, se a imunidade a surtos do transformador for suspeita, o componente de proteção pode ser colocado no lado da linha do transformador. A desvantagem é que a proteção adicional proporcionada pelo transformador é então perdida, e a capacidade do sistema GbE de suportar altos picos de energia é limitada apenas à capacidade do dispositivo de proteção.

Conclusão

GbE é um sistema de comunicação de alta velocidade confiável e muito utilizado, mas todos os sistemas que utilizam condutores estão sujeitos a transientes de energia devido a fenômenos como descargas eletrostáticas e ESD. Tais surtos são mitigados até certo ponto pelo transformador da porta GbE, CMC e circuito de terminação, mas os surtos de modo diferencial podem contornar essa supressão e danificar a PHY Ethernet. Recomenda-se uma proteção adicional para sistemas críticos.

Os diodos TVS são uma boa opção pois suprimem efetivamente a tensão transiente de pico a um nível seguro, não requerem reinicialização são compactos e tem um custo mediano. Recomenda-se um cuidadoso casamento do componente de proteção com a aplicação, pois estão disponíveis com uma ampla variedade de recursos, incluindo a proteção contra picos de corrente. Além disso, a adesão a boas diretrizes de projeto, tais como posição e aterramento, é recomendada para maximizar a proteção de um determinado diodo TVS.