工業(yè)電腦 2.5Gbps網(wǎng)口ESD/EOS 防護(hù)方案與應(yīng)用

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工業(yè)電腦(Industrial PC)相對(duì)于一般消費(fèi)型電腦來說，架構(gòu)上大致相同，CPU大都以X86(Intel以及AMD)為主。不過，因?yàn)楣I(yè)電腦主要講求的是穩(wěn)定性、相容性以及擴(kuò)充性，因此在I/O端口的傳輸速度提升需求上會(huì)比消費(fèi)型電腦來得緩慢。但因工業(yè)電腦所處的環(huán)境可能較一般消費(fèi)型電腦惡劣(例如:工廠，鐵道，船舶…等)，所以會(huì)更加重視系統(tǒng)本身的可靠度、壽命、抗外在干擾能力。由于設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)特別注意I/O端口ESD/Surge的保護(hù)，將更不容易因ESD/Surge而導(dǎo)致I/O端口故障。

在最近IPC主晶片的參考設(shè)計(jì)上，Ethernet端口的傳輸速度已由1Gbps升級(jí)至2.5Gbps，各工業(yè)電腦大廠在研發(fā)新項(xiàng)目時(shí)，也開始以Ethernet 2.5Gbps作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在測(cè)試ESD或是Surge時(shí)，相對(duì)也較常因2.5Gbps晶片對(duì)ESD/Surge較為敏感而遇到測(cè)試無法通過的問題，本文將介紹Ethernet 2.5Gbps的ESD/Surge完整防護(hù)對(duì)策。

Ethernet 2.5Gbps 主要是由四組Differential Pairs訊號(hào)所組成，一組Differential Pair訊號(hào)傳輸速度約625Mbps，故ESD/Surge保護(hù)元件的電容值也相對(duì)的不能太高，以避免因此導(dǎo)致訊號(hào)異常。進(jìn)行Ethernet Surge測(cè)試時(shí)有Common mode(線對(duì)地)以及Differential mode(線對(duì)線)兩種模式，對(duì)于Common mode ESD/Surge測(cè)試模式而言，推薦使用四通道的TVS Array防護(hù)元件，建議的方案為DFN2510P10E封裝的AZ1213-04F。因其封裝特色的關(guān)系，在PCB layout時(shí)可采用順線直拉的方式，在設(shè)計(jì)上極其方便。 AZ1213-04F 訊號(hào)對(duì)地的寄生電容為2.1pF(Typ.)，可抗受IEC61000-4-5 Surge(8/20μs) 20A的能量。在Surge(8/20μs) 20A時(shí)的Surge clamping voltage約為7.5V，而ESD Clamping voltage 在16A(ESD=8kV)時(shí)約為6.5V 。請(qǐng)參考圖1. AZ1213-04F的Surge clamping voltage 及TLP I-V特性曲線。

圖1 . AZ1213-04F的Surge clamping voltage 及TLP I-V特性曲線

Differential mode(線對(duì)線)的Surge防護(hù)元件，則建議可使用DFN0603P2Y(0201)封裝的AZ5B0S-01F，寄生電容為0.18pF(Typ.)，可抗受IEC61000-4-5 Surge (8/20μs) 7A的能量。在Surge(8/20μs) 7A時(shí)的Surge clamping voltage約為4V，請(qǐng)參考圖2. AZ5B0S-01F的Surge clamping voltage I-V特性曲線。

圖2. AZ5B0S-01F的 Surge clamping voltage I-V特性曲線

Differential mode的Surge防護(hù)元件除了前述AZ5B0S-01F之外，亦有推出DFN1006P2E(0402)封裝的防護(hù)元件AZ522S-01F，寄生電容為0.2pF(Typ.)，可抗受IEC61000-4-5 Surge (8/20μs) 6.5A的能量。在Surge(8/20μs) 6.5A時(shí)的Surge clamping voltage約為5V，請(qǐng)參考圖3. AZ522S-01F的Surge clamping voltage I-V特性曲線。

圖3. AZ522S-01F的 Surge clamping voltage I-V特性曲線

除了Common mode(線對(duì)地)以及Differential mode(線對(duì)線)的防護(hù)元件，在系統(tǒng)進(jìn)行ESD及Surge的測(cè)試時(shí)，亦時(shí)常見到能量耦合至LED控制訊號(hào)，而導(dǎo)致LAN PHY損壞的問題。故在LAN LED控制訊號(hào)線的防護(hù)也相對(duì)的重要，建議可先預(yù)留防護(hù)元件在LED的控制訊號(hào)線上，2.5Gbps Ethernet 的完整保護(hù)線路請(qǐng)參考圖4。

圖4. 2.5Gbps Ethernet ESD/EOS保護(hù)線路

如前文所提到，因工業(yè)電腦可能在較為惡劣的環(huán)境使用，故建議在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)初期時(shí)，可將ESD/Surge的防護(hù)先考量進(jìn)去，讓2.5Gbps Ethernet端口的耐受更加強(qiáng)壯，以避免網(wǎng)口在市場(chǎng)端因ESD/Surge而導(dǎo)致功能失效的問題發(fā)生。

審核編輯黃宇