半導體二極管在以太網端口的應用研究

摘要：利用半導體二極管的單向導電原理和嵌位電壓特性作為保護電路，該電路具有結構簡單，實用性強、電壓低、容性小、時間短等特點。用它來保護高速發展的以太網端口，特別是千兆的以太網端口，高性能的集成塊具有很強大的保護作用，能夠使精密的儀器免受瞬態電壓的破壞。

　　在當今網絡快速發展的情況下，以太網到處可見，以太網設備的啟動和驅動要求其集成電路比以前更先進。現在使用的以太網物理層收發器(PHYS)是采用65納米工藝的高性能收發器。這種新的以太網收發器平臺給系統設計帶來了優良的性能優勢，但是令人擔心的是集成芯片的保護等級在降低。現在的集成電路芯片的尺寸變得越來越小，而性能指標越來越高。這樣芯片的輸出輸入保護標準就要求更高，而設計師們往往在這一方面沿用老的保護電路。特別是在大量電器瞬態威脅下使以太網的端口能夠正常工作提出了更嚴更高的要求。

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

　　瞬態二極管(TVS)是一種高效能保護的元器件，當瞬態二極管的兩個電極受到高能量的瞬態反向電壓擊穿時，他以10-12s的速度將反向斷開的瞬態二極管變成導通，吸收幾千瓦的浪涌功率，并使瞬態二極管的電壓嵌位到一個給定的值，更好地保護電路中的精密器件，使其免受浪涌脈沖的破壞，如圖2所示，在信號正常工作的條件下，瞬態二極管反向斷開，表現為高阻抗，在電路中不起作用。當某一個瞬態尖峰脈沖攻擊以太網端口時，瞬態二極管由于反向擊穿而導通，形成的高電流便由導通的二極管導走，并使瞬態電壓尖峰低于集成電路允許的最高閾值電壓。

　　如果以太網端口有額外的電容時就會對信號的質量產生干擾，所以要保持以太網端口沒有額外電容;而以太網端口能在沒有額外電容負載時，還具有承受強大浪涌的能力，就需要有一個保護電路來完成這個目標。而瞬態二極管的結構不僅具有承受強大的浪涌能力，而且還能使以太網端口的電容達到最小化。同時瞬態二極管的嵌位電壓是評估保護以太網端口的一個性能指標，它是瞬態電壓在抑制浪涌瞬變后所產生的電壓，如圖3所示，這個電壓出現在物理層的輸入端能使嵌位電壓很小，電壓越小對以太網的端口的保護就越好。圖4是瞬態二極管對于靜電放電(ESD)響應的電路圖，它能把高靜電電壓放電時嵌位到一個較低的電壓值。

　　對于千兆的以太網端口，它上下浮動的電壓差在2V左右，低電壓2.5V的瞬態電壓抑制效果要比5V電壓抑制的電壓效果好，而且響應速度還較快，伏安特性恢復得也較快，如圖5所示。同時也能夠發現，在伏安特性曲線中，還有一些輕微的負阻，這種特性反過來能夠降低脈沖電流的嵌位電壓。

　　瞬態二極管的嵌位電壓對于雷擊以太網端口同樣具有保護作用，以8x20μs電流脈沖為基準來確定，圖6的嵌位電壓曲線顯示了不同的瞬態電壓抑制設備的鉗制電壓不同，以太網端口尺寸的敏感性又歸物理層結構來決定，低電壓保護陳列的嵌位電壓能達到2V左右，而標準5V電壓嵌位到12V左右，很顯然，標準的5V電壓已不能保護更高端的以太網端口系統，需要替代他們的是較低的工作電壓和較低的嵌位電壓設備。

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

　　EMC設計安全規范的種類：

1 EMC安全規范的標準

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

　　? 傳導——GB/T 17626.6-2008 射頻電場感應的傳導騷擾抗干擾強度;

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

　　? 靜電——GB/T 17626.2-2006 靜電放電抗干擾強度;

　　? 輻射——GB/T 17626.3-2008 射頻電磁場輻射抗干擾強度;

　　? 高低溫——GB/T 2423.1/2 電工電子產品溫度環境;

　　? 阻尼震蕩——GB/T 17626.10-1998 阻尼振蕩磁場抗干擾強度;

　　? 耐壓——VTS瞬態二極管具體要求;

　　? 交流電源暫降——GB/T 17626.11-2008電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗干擾強度;

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

2 瞬態二極管的主要參數

2.1 擊穿電壓VBR

　　TVS在發生擊穿的區域內，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，此時呈現低阻抗狀態。

2.2 最大反向脈沖峰值電流I_P

　　TVS瞬態二極管工作在反向電壓下，在脈沖到來時所通過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瞬態二極管反向工作時，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

　　當電流是脈沖峰值電流時，測得TVS兩端的最大電壓就為最大嵌位電壓值，嵌位系數一般取1.3左右。