半導(dǎo)體二極管在以太網(wǎng)端口的應(yīng)用研究

摘要：利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娫砗颓段浑妷禾匦宰鳛楸Ｗo(hù)電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)、電壓低、容性小、時(shí)間短等特點(diǎn)。用它來(lái)保護(hù)高速發(fā)展的以太網(wǎng)端口，特別是千兆的以太網(wǎng)端口，高性能的集成塊具有很強(qiáng)大的保護(hù)作用，能夠使精密的儀器免受瞬態(tài)電壓的破壞。

　　在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的情況下，以太網(wǎng)到處可見(jiàn)，以太網(wǎng)設(shè)備的啟動(dòng)和驅(qū)動(dòng)要求其集成電路比以前更先進(jìn)?，F(xiàn)在使用的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(PHYS)是采用65納米工藝的高性能收發(fā)器。這種新的以太網(wǎng)收發(fā)器平臺(tái)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了優(yōu)良的性能優(yōu)勢(shì)，但是令人擔(dān)心的是集成芯片的保護(hù)等級(jí)在降低?，F(xiàn)在的集成電路芯片的尺寸變得越來(lái)越小，而性能指標(biāo)越來(lái)越高。這樣芯片的輸出輸入保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)就要求更高，而設(shè)計(jì)師們往往在這一方面沿用老的保護(hù)電路。特別是在大量電器瞬態(tài)威脅下使以太網(wǎng)的端口能夠正常工作提出了更嚴(yán)更高的要求。

　　在以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中雙絞線需要對(duì)抗各種各樣的瞬態(tài)過(guò)壓所帶來(lái)的危害，像電纜放電(CDE)、靜電放電(ESD)和電器快速瞬變(EFT)，這就需要以太網(wǎng)端口有一個(gè)防御設(shè)施來(lái)保護(hù)端口。瞬態(tài)危害的特征有兩個(gè)方面：第一方面是快速上升時(shí)間的危害，像電纜放電(CDE)、靜電放電(ESD)和電器快速放電(EFT)，屬于快速上升時(shí)間的危害，他們通常的上升時(shí)間都在1納秒的時(shí)間范圍內(nèi)，如圖1所示，可以看出三種情況下脈沖特征上的不同點(diǎn);第二個(gè)方面是緩慢上升時(shí)間的危害，也就是浪涌危害。浪涌是一種放電感應(yīng)脈沖，是上升時(shí)間相對(duì)緩慢一點(diǎn)，通常都在1微秒的時(shí)間范圍內(nèi)。由于脈沖波形具有高次脈沖的能量，因此在分析中，可以把它認(rèn)為一個(gè)電壓波形與一個(gè)尖峰電壓的疊加。要使以太網(wǎng)端口免受不同瞬態(tài)的危害，必須有不同層次的保護(hù)結(jié)構(gòu)，而如今以太網(wǎng)的迅猛發(fā)展，需要有更好的解決方案。

　　瞬態(tài)二極管(TVS)是一種高效能保護(hù)的元器件，當(dāng)瞬態(tài)二極管的兩個(gè)電極受到高能量的瞬態(tài)反向電壓擊穿時(shí)，他以10-12s的速度將反向斷開(kāi)的瞬態(tài)二極管變成導(dǎo)通，吸收幾千瓦的浪涌功率，并使瞬態(tài)二極管的電壓嵌位到一個(gè)給定的值，更好地保護(hù)電路中的精密器件，使其免受浪涌脈沖的破壞，如圖2所示，在信號(hào)正常工作的條件下，瞬態(tài)二極管反向斷開(kāi)，表現(xiàn)為高阻抗，在電路中不起作用。當(dāng)某一個(gè)瞬態(tài)尖峰脈沖攻擊以太網(wǎng)端口時(shí)，瞬態(tài)二極管由于反向擊穿而導(dǎo)通，形成的高電流便由導(dǎo)通的二極管導(dǎo)走，并使瞬態(tài)電壓尖峰低于集成電路允許的最高閾值電壓。

　　如果以太網(wǎng)端口有額外的電容時(shí)就會(huì)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生干擾，所以要保持以太網(wǎng)端口沒(méi)有額外電容;而以太網(wǎng)端口能在沒(méi)有額外電容負(fù)載時(shí)，還具有承受強(qiáng)大浪涌的能力，就需要有一個(gè)保護(hù)電路來(lái)完成這個(gè)目標(biāo)。而瞬態(tài)二極管的結(jié)構(gòu)不僅具有承受強(qiáng)大的浪涌能力，而且還能使以太網(wǎng)端口的電容達(dá)到最小化。同時(shí)瞬態(tài)二極管的嵌位電壓是評(píng)估保護(hù)以太網(wǎng)端口的一個(gè)性能指標(biāo)，它是瞬態(tài)電壓在抑制浪涌瞬變后所產(chǎn)生的電壓，如圖3所示，這個(gè)電壓出現(xiàn)在物理層的輸入端能使嵌位電壓很小，電壓越小對(duì)以太網(wǎng)的端口的保護(hù)就越好。圖4是瞬態(tài)二極管對(duì)于靜電放電(ESD)響應(yīng)的電路圖，它能把高靜電電壓放電時(shí)嵌位到一個(gè)較低的電壓值。

　　對(duì)于千兆的以太網(wǎng)端口，它上下浮動(dòng)的電壓差在2V左右，低電壓2.5V的瞬態(tài)電壓抑制效果要比5V電壓抑制的電壓效果好，而且響應(yīng)速度還較快，伏安特性恢復(fù)得也較快，如圖5所示。同時(shí)也能夠發(fā)現(xiàn)，在伏安特性曲線中，還有一些輕微的負(fù)阻，這種特性反過(guò)來(lái)能夠降低脈沖電流的嵌位電壓。

　　瞬態(tài)二極管的嵌位電壓對(duì)于雷擊以太網(wǎng)端口同樣具有保護(hù)作用，以8x20μs電流脈沖為基準(zhǔn)來(lái)確定，圖6的嵌位電壓曲線顯示了不同的瞬態(tài)電壓抑制設(shè)備的鉗制電壓不同，以太網(wǎng)端口尺寸的敏感性又歸物理層結(jié)構(gòu)來(lái)決定，低電壓保護(hù)陳列的嵌位電壓能達(dá)到2V左右，而標(biāo)準(zhǔn)5V電壓嵌位到12V左右，很顯然，標(biāo)準(zhǔn)的5V電壓已不能保護(hù)更高端的以太網(wǎng)端口系統(tǒng)，需要替代他們的是較低的工作電壓和較低的嵌位電壓設(shè)備。

　　電磁兼容簡(jiǎn)稱(chēng)EMC(Electromagnetic compatibility)是電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能夠正常工作并且不對(duì)該電磁環(huán)境中任何電子設(shè)備造成不能承受的電磁騷擾的能力。

　　EMC設(shè)計(jì)安全規(guī)范的種類(lèi)：

1 EMC安全規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)

　　? 浪涌沖擊——GB/T 17626.4-2008 浪涌(沖擊)抗干擾強(qiáng)度;

　　? 傳導(dǎo)——GB/T 17626.6-2008 射頻電場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗干擾強(qiáng)度;

　　? 電快速脈沖群——GB/T 17626.4-2008 電快速瞬變脈沖群抗干擾強(qiáng)度;

　　? 靜電——GB/T 17626.2-2006 靜電放電抗干擾強(qiáng)度;

　　? 輻射——GB/T 17626.3-2008 射頻電磁場(chǎng)輻射抗干擾強(qiáng)度;

　　? 高低溫——GB/T 2423.1/2 電工電子產(chǎn)品溫度環(huán)境;

　　? 阻尼震蕩——GB/T 17626.10-1998 阻尼振蕩磁場(chǎng)抗干擾強(qiáng)度;

　　? 耐壓——VTS瞬態(tài)二極管具體要求;

　　? 交流電源暫降——GB/T 17626.11-2008電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗干擾強(qiáng)度;

　　? 直流電源暫降——GB/T 17626.29-2006直流電源輸入端口電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗干擾強(qiáng)度。

2 瞬態(tài)二極管的主要參數(shù)

2.1 擊穿電壓VBR

　　TVS在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在電流I_BR的情況下，TVS兩端的電壓叫做擊穿電壓，用V_BR表示，此時(shí)呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)。

2.2 最大反向脈沖峰值電流I_P

　　TVS瞬態(tài)二極管工作在反向電壓下，在脈沖到來(lái)時(shí)所通過(guò)的最大峰值脈沖電流即為最大反向脈沖峰值電流I_P 。

2.3 最大反向工作電壓V_R

　　TV瞬態(tài)二極管反向工作時(shí)，在電流作用下，TVS兩端的電壓即為最大反向工作電壓V_R ，在正常情況下，V_R=(0.8～0.9)V_BR

2.4 最大嵌位電壓V_C

　　當(dāng)電流是脈沖峰值電流時(shí)，測(cè)得TVS兩端的最大電壓就為最大嵌位電壓值，嵌位系數(shù)一般取1.3左右。