半导体二极管在以太网端口的应用研究

摘要：利用半导体二极管的单向导电原理和嵌位电压特性作为保护电路，该电路具有结构简单，实用性强、电压低、容性小、时间短等特点。用它来保护高速发展的以太网端口，特别是千兆的以太网端口，高性能的集成块具有很强大的保护作用，能够使精密的仪器免受瞬态电压的破坏。

　　在当今网络快速发展的情况下，以太网到处可见，以太网设备的启动和驱动要求其集成电路比以前更先进。现在使用的以太网物理层收发器(PHYS)是采用65纳米工艺的高性能收发器。这种新的以太网收发器平台给系统设计带来了优良的性能优势，但是令人担心的是集成芯片的保护等级在降低。现在的集成电路芯片的尺寸变得越来越小，而性能指标越来越高。这样芯片的输出输入保护标准就要求更高，而设计师们往往在这一方面沿用老的保护电路。特别是在大量电器瞬态威胁下使以太网的端口能够正常工作提出了更严更高的要求。

　　在以太网基础设施中双绞线需要对抗各种各样的瞬态过压所带来的危害，像电缆放电(CDE)、静电放电(ESD)和电器快速瞬变(EFT)，这就需要以太网端口有一个防御设施来保护端口。瞬态危害的特征有两个方面：第一方面是快速上升时间的危害，像电缆放电(CDE)、静电放电(ESD)和电器快速放电(EFT)，属于快速上升时间的危害，他们通常的上升时间都在1纳秒的时间范围内，如图1所示，可以看出三种情况下脉冲特征上的不同点;第二个方面是缓慢上升时间的危害，也就是浪涌危害。浪涌是一种放电感应脉冲，是上升时间相对缓慢一点，通常都在1微秒的时间范围内。由于脉冲波形具有高次脉冲的能量，因此在分析中，可以把它认为一个电压波形与一个尖峰电压的叠加。要使以太网端口免受不同瞬态的危害，必须有不同层次的保护结构，而如今以太网的迅猛发展，需要有更好的解决方案。

　　瞬态二极管(TVS)是一种高效能保护的元器件，当瞬态二极管的两个电极受到高能量的瞬态反向电压击穿时，他以10-12s的速度将反向断开的瞬态二极管变成导通，吸收几千瓦的浪涌功率，并使瞬态二极管的电压嵌位到一个给定的值，更好地保护电路中的精密器件，使其免受浪涌脉冲的破坏，如图2所示，在信号正常工作的条件下，瞬态二极管反向断开，表现为高阻抗，在电路中不起作用。当某一个瞬态尖峰脉冲攻击以太网端口时，瞬态二极管由于反向击穿而导通，形成的高电流便由导通的二极管导走，并使瞬态电压尖峰低于集成电路允许的最高阈值电压。

　　如果以太网端口有额外的电容时就会对信号的质量产生干扰，所以要保持以太网端口没有额外电容;而以太网端口能在没有额外电容负载时，还具有承受强大浪涌的能力，就需要有一个保护电路来完成这个目标。而瞬态二极管的结构不仅具有承受强大的浪涌能力，而且还能使以太网端口的电容达到最小化。同时瞬态二极管的嵌位电压是评估保护以太网端口的一个性能指标，它是瞬态电压在抑制浪涌瞬变后所产生的电压，如图3所示，这个电压出现在物理层的输入端能使嵌位电压很小，电压越小对以太网的端口的保护就越好。图4是瞬态二极管对于静电放电(ESD)响应的电路图，它能把高静电电压放电时嵌位到一个较低的电压值。

　　对于千兆的以太网端口，它上下浮动的电压差在2V左右，低电压2.5V的瞬态电压抑制效果要比5V电压抑制的电压效果好，而且响应速度还较快，伏安特性恢复得也较快，如图5所示。同时也能够发现，在伏安特性曲线中，还有一些轻微的负阻，这种特性反过来能够降低脉冲电流的嵌位电压。

　　瞬态二极管的嵌位电压对于雷击以太网端口同样具有保护作用，以8x20μs电流脉冲为基准来确定，图6的嵌位电压曲线显示了不同的瞬态电压抑制设备的钳制电压不同，以太网端口尺寸的敏感性又归物理层结构来决定，低电压保护陈列的嵌位电压能达到2V左右，而标准5V电压嵌位到12V左右，很显然，标准的5V电压已不能保护更高端的以太网端口系统，需要替代他们的是较低的工作电压和较低的嵌位电压设备。

　　电磁兼容简称EMC(Electromagnetic compatibility)是电子设备或者电子系统在电磁环境中能够正常工作并且不对该电磁环境中任何电子设备造成不能承受的电磁骚扰的能力。

　　EMC设计安全规范的种类：

1 EMC安全规范的标准

　　• 浪涌冲击——GB/T 17626.4-2008 浪涌(冲击)抗干扰强度;

　　• 传导——GB/T 17626.6-2008 射频电场感应的传导骚扰抗干扰强度;

　　• 电快速脉冲群——GB/T 17626.4-2008 电快速瞬变脉冲群抗干扰强度;

　　• 静电——GB/T 17626.2-2006 静电放电抗干扰强度;

　　• 辐射——GB/T 17626.3-2008 射频电磁场辐射抗干扰强度;

　　• 高低温——GB/T 2423.1/2 电工电子产品温度环境;

　　• 阻尼震荡——GB/T 17626.10-1998 阻尼振荡磁场抗干扰强度;

　　• 耐压——VTS瞬态二极管具体要求;

　　• 交流电源暂降——GB/T 17626.11-2008电压暂降、短时中断和电压变化抗干扰强度;

　　• 直流电源暂降——GB/T 17626.29-2006直流电源输入端口电压暂降、短时中断和电压变化的抗干扰强度。

2 瞬态二极管的主要参数

2.1 击穿电压VBR

　　TVS在发生击穿的区域内，在电流I_BR的情况下，TVS两端的电压叫做击穿电压，用V_BR表示，此时呈现低阻抗状态。

2.2 最大反向脉冲峰值电流I_P

　　TVS瞬态二极管工作在反向电压下，在脉冲到来时所通过的最大峰值脉冲电流即为最大反向脉冲峰值电流I_P 。

2.3 最大反向工作电压V_R

　　TV瞬态二极管反向工作时，在电流作用下，TVS两端的电压即为最大反向工作电压V_R ，在正常情况下，V_R=(0.8～0.9)V_BR

2.4 最大嵌位电压V_C

　　当电流是脉冲峰值电流时，测得TVS两端的最大电压就为最大嵌位电压值，嵌位系数一般取1.3左右。