デザインの仕方

Mar 23, 2023

Steven Keeping著、Digikey

ギガビット イーサネット (GbE) は、家庭、商業、産業施設全体で広く使用されている堅牢な高速通信システムです。 ただし、イーサネット システムには、特に接続が建物を越えて広がる場合に課題が生じます。 延長されたラインは予期せぬ高レベルの過渡電圧や過渡電流にさらされる可能性があり、静電気放電 (ESD) が継続的に発生するリスクがあります。

GbE 物理層 (PHY) には、絶縁トランスなど、ある程度の保護を提供するいくつかのコンポーネントが含まれています。 ただし、内蔵の過渡電圧緩和機能を頼りに、あらゆる状況で保護を提供できるわけではありません。

過渡電圧抑制 (TVS) ダイオードは、GbE などのスペースやコストに制約のあるアプリケーションにおいて、実証済みの安価で堅牢な回路保護デバイスです。 通常の動作では、デバイスは透明に見えます。 ただし、デバイスは、複数の通信チャネルを最大 40 アンペア (A) のサージ電流と最大 30 キロボルト (kV) の ESD から保護し、高速信号の完全性を確保するために通常の使用時に低い負荷容量を維持する必要があります。

この記事では、GbE の高電圧過渡現象と ESD 保護によってもたらされる設計上の課題について説明し、エネルギー抑制に必要な TVS ダイオードの固有の特性について考察します。 次に、この記事では、IEC 61000-4-2、-4、-5 などの規格に準拠した過渡保護システムに選択したデバイスを設計する方法を示す前に、この問題に対するいくつかの商用ソリューションについて説明します。

GbEは有線の高速通信システムです。 銅線接続は、デジタル信号ストリームを構成する「0」と「1」を表す差動信号を伝送します。 ただし、その銅線は、シリコン回路素子に損傷を与える可能性のある高い過渡電圧や ESD イベントに対する完璧な伝達メカニズムでもあります (図 1)。

GbE PHY の設計には、絶縁トランスによるある程度の保護が含まれています。 GbE 仕様 (IEEE 802.3) では、最小絶縁定格 2.1 kV が要求されています。 ほとんどの商用変圧器は 4 ～ 8 kV の絶縁を提供します。 さらに、GbE インターフェイスには通常、コモン モード チョーク (CMC) が含まれています。これは、ESD スパイクを軽減するために高周波 AC をブロックするために使用されるインダクタです。 最終的な保護は「ボブ・スミス」の終了によってもたらされます。 これは、75 オーム (Ω) の抵抗を使用して、コンデンサを介して集合的にグランドに接続された信号ペアのコモンモード インピーダンス整合を実装します。 終端は、後述するコモンモード放射の低減に役立ちます (図 2)。

包括的な保護のために GbE PHY 絶縁トランス、CMC、および終端回路に単純に依存するのは危険です。 これらのコンポーネントは過渡電圧をある程度軽減しますが、ポートが損傷にさらされる状況がいくつかあります。

GbE 過渡電圧変動は、本質的にコモンモードまたは差動モードに分類できます。 コモンモード電圧過渡現象の間、すべての GbE PHY 導体はグランドに対して瞬時に同じ電圧まで上昇します。 すべての導体が同じ電位にあるため、ある導体から別の導体への電流の移動はありません。 代わりに、電流がグランドに流れます。 電流の一般的な経路は、導体を通って、変圧器のセンタータップを経由して終端回路を通ってグランドに至る経路です (図 3)。

差動モードのサージは異なります。 電流は、差動ペアの一方の信号ラインの GbE ポートに流れ込み、トランスを通って、もう一方の信号ラインのポートから流れ出します。 トランスの一次巻線を流れる過渡電流は、二次巻線に電流サージを引き起こします。 サージが除去されると、トランスに蓄積されたエネルギーが壊れやすい GbE PHY が配置されている場所に転送されます。 この伝達されたエネルギーにより、良くてもデータの損失や不具合が発生し、最悪の場合は永久的な損傷につながります (図 4)。

図 4 は、差動モード サージが、GbE PHY を潜在的に損傷を与える電圧にさらすものであるため、最も危険であることを示しています。 これらのサージから保護するには、絶縁変圧器の二次側に追加の保護が必要です。

GbE PHY を保護するには、大きな過渡エネルギー パルスを分離、ブロック、または抑制できるデバイスが必要です。 追加の変圧器はイーサネット電子機器を完全に絶縁できますが、かさばり、高価になる可能性があります。 ヒューズは安価な遮断方法ですが、トリップが発生するたびにリセットまたは交換する必要があります。 TVS ダイオードは良い妥協案です。 ピーク過渡電圧を安全なレベルに効果的に抑制し、リセットが不要で、コンパクトで、価格も手頃です。

構造的には、TVS ダイオードは、高い過渡電流と電圧を吸収するために大きな接合断面積を備えて特別に設計された p-n デバイスです。 TVS ダイオードの電圧/電流特性はツェナー ダイオードと似ていますが、デバイスは電圧調整ではなく電圧抑制を目的として設計されています。 TVS ダイオードの主な利点は、他の抑制デバイスと比較して、電気的過渡現象に対する迅速な応答 (通常はナノ秒以内) です。つまり、一定の「クランプ」電圧を維持しながら、過渡現象のエネルギーを安全にグランドにそらすことができます (図 5)。

通常動作中、TVS ダイオードは動作電圧 (VRWM) までの電圧に対して回路に対して高インピーダンスを示します。 デバイス端子間の電圧が降伏電圧 (VBR) を超えると、ダイオードの接合部でアバランシェ降伏が発生し、ダイオードが「スナップバック」するか、低インピーダンスのオン状態に切り替わります。 これにより、過渡ピークパルス電流 (IPP) がデバイスを流れるにつれて、電圧がクランプレベル (VC) まで低下します。 保護された回路が受ける最大電圧は VC に等しく、通常は控えめです。 電流が保持電流 (IH) を下回ると、TVS ダイオードは高インピーダンスのオフ状態に戻ります (図 6 および表 1)。

信頼できるメーカーの TVS ダイオードは、IEC 61000-4-2 (ESD)、IEC 61000-4-4 (EFT)、IEC 61000-4-5 (雷) などの文書に詳述されている厳しいイミュニティ規格を満たしながら、インターフェイスを保護するように設計されています。 。

IEC 61000-4-5 は、サージ耐性のテスト方法を規定しており、TVS ダイオードの能力を決定するために使用される典型的なサージ波形の詳細を提供します。 この波形は間接照明の照射をシミュレートし、8 マイクロ秒 (µs) でピーク電流値 (tp) の 90% に達し、20 µs でピーク値の 50% まで減衰します。 データシートでは、これを「8/20 μs 波形」と呼ぶことが多く、保護デバイスが耐えられる波形の最大ピーク パルス電流 (IPP) の詳細が記載されています。 データシートには通常、1.2/50 μs の間接照明の照射によって引き起こされる関連する電圧サージ波形に対する製品の応答も詳しく記載されています (過渡サージは 1.2 μs でピーク電圧に達し、50 μs でピーク値の 50% に減衰します)。

TVS ダイオードのもう 1 つの重要な保護特性は、その「ESD 耐電圧」です。 これは、保護装置が損傷することなく耐えることができる最大静電気放電電圧であり、通常は数十 kV 程度です。

GbE に加えて、TVS ダイオードは、HDMI、USB Type-C、RS-485、DisplayPort などのさまざまなインターフェイスの保護に利用できます。 ただし、これらの各インターフェイスには、微妙に異なるレベルの保護が必要です。 そのため、TVS ダイオードを特定の用途向けに設計することが重要になります。

たとえば、Semtech は、GbE インターフェイス保護を対象とした一連の TVS ダイオードを製造しています。 これらのデバイスは、他のシリコン・アバランシェ・ダイオード・プロセスと比較して漏れ電流と静電容量が減少するというセムテック社のプロセス技術を使用して製造されている。 この製品範囲のさらなる利点は、エネルギーを節約するために 3.3 ～ 5 ボルト (バージョンに応じて) の低い動作電圧を備えていることです。

たとえば、RailClamp シリーズには、2.5 GbE インターフェイス保護に適した RCLAMP0512TQTCT が含まれています。 このデバイスは、20 アンペア (A) (tp = 8/20 および 1.2/50 μs) の IPP 能力と 170 ワットのピーク パルス電力 (PPK) を備えています。 ESD耐電圧は+/-30kVです。 VBR は 9.2 ボルト (標準)、IH は 150 ミリアンペア (mA) (標準)、VC は標準 5 ボルト、最大 8.5 ボルトです (図 7)。

RCLAMP0512TQ は、3 ピン SGP1006N3T パッケージのコンパクトなデバイスで、寸法は 1.0 x 0.6 x 0.4 ミリメートル (mm) です。

Semtech RailClamp シリーズには、潜在的により危険な状況で使用される 1 GbE アプリケーションに対してより強力な保護を提供する製品もあります。 たとえば、RCLAMP3374N.TCT は、40 A (tp = 8/20 および 1.2/50 μs) の IPP 能力と 1 キロワット (kW) の PPK を備えています。 ESD耐電圧は+/-30kVです。 IPP = 40 Aの場合、VCは25ボルト（最大）です。コンポーネントの寸法は3.0 x 2.0 x 0.60 mmです。

RailClamp シリーズのミッドレンジ デバイスは RCLAMP3354S.TCT です。 これは 1 GbE 保護に適しており、25 A (tp = 8/20 および 1.2/50 μs) の IPP 能力と 400 ワットの PPK を提供します。 ESD耐電圧は+/-30kVです。 IPP = 25 Aの場合、VCは16ボルト（最大）です。

図 8 は、RCLAMP0512TQTCT を使用した GbE PHY 保護スキームを示しています。 デバイスは、差動モードのサージから保護するためにトランスの PHY 側に配置され、各イーサネット ライン ペア間に 1 つのデバイスが配置されます。 イーサネット差動ペアは、ピン 1 と 2 で各 TVS ダイオード コンポーネントを介して配線され、ピン 3 は接続されていません。

エンジニアは、保護コンポーネントを物理的にイーサネット PHY 磁気回路のできるだけ近くに、できればプリント基板 (PC ボード) の同じ側に配置することで、保護パスの寄生インダクタンスを制限する必要があります。 また、マイクロビアを使用してグランド接続をプリント基板のグランド プレーンに直接行うと役立ちます。

寄生インダクタンスの低減は、立ち上がり時間の速い過渡現象を抑制するために特に重要です。 保護デバイスの経路内のインダクタンスにより、保護デバイスがさらされる VC が増加します。 VC は、パスのインダクタンスとサージ中の電流の変化率の積に比例します。 たとえば、パス インダクタンスがわずか 1 ナノヘンリー (nH) であると、立ち上がり時間が 1 ナノ秒 (ns) の 30 A ESD パルスの場合、ピーク VC が 30 ボルト増加する可能性があります。

選択したイーサネット変圧器は、予想されるサージに故障することなく耐えられる必要があることに注意してください。 一般的なイーサネット変圧器は、障害が発生するまでに数百アンペア (tp = 8/20 μs) に耐えることができますが、これはテストによって検証する必要があります。 あるいは、変圧器のサージ耐性に疑問がある場合は、保護部品を変圧器のライン側に配置することもできます。 欠点は、変圧器によって提供される追加の保護が失われ、高エネルギー サージに耐える GbE システムの能力が保護デバイスの能力のみに限定されることです。

GbE は信頼性が高く広く普及している高速通信システムですが、導体を使用するすべてのシステムは、雷や ESD などの現象によるエネルギー過渡の影響を受けます。 このようなサージは、GbE ポートのトランス、CMC、終端回路によってある程度軽減されますが、差動モードのサージはこの抑制をバイパスし、イーサネット PHY に損傷を与える可能性があります。 重要なシステムには追加の保護を推奨します。

TVS ダイオードは、ピーク過渡電圧を安全なレベルに効果的に抑制し、リセットの必要がなく、コンパクトで中価格であるため、優れた選択肢です。 保護コンポーネントはピーク電流保護を含む幅広い機能を備えているため、アプリケーションに注意深く適合させることをお勧めします。 さらに、特定の TVS ダイオードの保護を最大限に高めるために、位置や接地などの適切な設計ガイドラインに従うことをお勧めします。