Cómo diseñar diodos TVS para proteger Gigabit Ethernet contra transitorios de tensión y corriente

Gigabit Ethernet (GbE) es un sistema de comunicación resistente y de alta velocidad de uso generalizado en instalaciones domésticas, comerciales e industriales. Sin embargo, los sistemas Ethernet presentan dificultades, sobre todo cuando la conectividad se extiende más allá del edificio. Las líneas extendidas pueden estar sujetas a tensiones y corrientes transitorias inesperadas de alto nivel, y las descargas electrostáticas (Descarga electrostática) son un riesgo constante.

La capa física GbE (PHY) incluye algunos componentes que proporcionan cierto grado de protección, como el transformador de aislamiento. Pero no se puede confiar en que la mitigación de voltajes transitorios incorporada ofrezca protección en todas las circunstancias.

Los diodos TVS (supresión de voltaje transitorio) son un dispositivo de protección de circuitos probado, barato y resistente en aplicaciones con limitaciones de espacio y costos, como GbE. En condiciones normales de funcionamiento, los dispositivos parecen transparentes. Sin embargo, los dispositivos deben proteger varios canales de comunicación de sobretensiones de hasta 40 amperios (A) y descargas electrostáticas de hasta 30 kilovoltios (kV), y mantener una baja capacitancia de carga en condiciones normales de uso para garantizar la integridad de la señal de alta velocidad.

En este artículo se describen los retos de diseño que plantean la protección contra transitorios y Descarga electrostática de alta tensión GbE y, a continuación, se estudian las características únicas de los diodos TVS necesarios para la supresión de energía. A continuación, el artículo describe algunas soluciones comerciales para el problema antes de mostrar cómo diseñar los dispositivos seleccionados en sistemas de protección contra transitorios según normas como IEC 61000-4-2, -4 y -5.

Los peligros de los efectos transitorios del voltaje

GbE es un sistema de comunicación de alta velocidad por cable. Las conexiones de cobre transportan las señales diferenciales que representan los "ceros" y "unos" que componen el flujo de señales digitales. Sin embargo, ese cableado de cobre también es el mecanismo de transporte perfecto para altas tensiones transitorias y eventos ESD que podrían dañar los elementos del circuito de silicio (Figura 1).

Figura 1: Sin protección, los PHY GbE pueden quedar destruidos por altas tensiones transitorias y descarga electrostática. (Fuente de la imagen: Semtech)

El diseño del GbE PHY incluye cierto grado de protección a través del transformador de aislamiento. La especificación GbE (IEEE 802.3) exige un aislamiento mínimo de 2.1 kV. La mayoría de los transformadores comerciales ofrecen un aislamiento de 4 a 8 kV. Además, las interfaces GbE suelen incluir un obturador de modo común (CMC), un inductor utilizado para bloquear la CA de alta frecuencia y ayudar a reducir los picos de descarga electrostática. Un último grado de protección proviene de la terminación "Bob Smith". Utiliza una resistencia/resistor de 75 ohmios (Ω) para implementar una coincidencia de impedancia de modo común para pares de señales conectados colectivamente a través de un condensador a tierra. La terminación puede ayudar a reducir las emisiones en modo común que se comentan más adelante (Figura 2).

Figura 2: La capa física GbE incluye protección contra voltajes transitorios, como un transformador de aislamiento, un obturador de modo común y un circuito de terminación de resistencia. (Fuente de la imagen: Semtech)

Confiar simplemente en el transformador de aislamiento GbE PHY, la CMC y el circuito de terminación para una protección completa es arriesgado. Aunque los componentes ofrecen cierta mitigación del voltaje transitorio, hay varias circunstancias que dejan el puerto expuesto a daños.

Las variaciones (temperatura) transitorias de voltaje en GbE pueden clasificarse en modo común o diferencial. Durante un transitorio de tensión en modo común, todos los conductores GbE PHY se elevan instantáneamente a la misma tensión con respecto a tierra. Como todos los conductores están al mismo potencial, no hay transferencia de corriente de un conductor a otro. En su lugar, la corriente fluye a través de la tierra. Un camino común para el flujo de corriente es a través del conductor a tierra a través de la toma central del transformador y a través del circuito de terminación (Figura 3).

Figura 3: Una corriente transitoria de alto voltaje en modo común fluye a través del conector RJ-45 a tierra a través de la toma central del transformador de aislamiento. (Fuente de la imagen: Semtech)

La sobretensión en modo diferencial es diferente. La corriente fluye hacia el puerto GbE por una línea de señal del par diferencial, a través del transformador, y vuelve a salir del puerto por la otra línea de señal. La corriente transitoria que circula por el devanado primario del transformador induce un pico de corriente en el devanado secundario. Una vez eliminada la sobretensión, la energía almacenada en el transformador se transferirá al lugar donde se encuentra el frágil PHY GbE. Es esta energía transferida la que, en el mejor de los casos, provoca la pérdida de datos y fallos y, en el peor, provoca daños permanentes (Figura 4).

Figura 4: Una sobretensión en modo diferencial induce una corriente a través del transformador de aislamiento que puede dañar los circuitos electrónicos sensibles. (Fuente de la imagen: Semtech)

La figura 4 muestra que la sobretensión en modo diferencial es la más peligrosa, ya que es la que expone al GbE PHY a voltajes potencialmente dañinos. Se necesita una protección adicional en el secundario del transformador de aislamiento para protegerlo de estas sobretensiones.

Uso de diodos TVS para la protección contra sobretensiones

La protección de la PHY GbE requiere dispositivos capaces de aislar, bloquear o suprimir los grandes impulsos de energía transitoria. Los transformadores adicionales pueden aislar completamente la electrónica Ethernet, pero son voluminosos y pueden resultar caros. Los fusibles son un método económico de bloqueo, pero deben restablecerse o sustituirse después de cada disparo. Los diodos TVS son un buen compromiso: suprimen eficazmente los picos de tensión transitoria hasta un nivel seguro, no requieren rearme, son compactos y tienen un precio razonable.

Estructuralmente, un diodo TVS es un dispositivo p-n diseñado específicamente con una gran área de sección transversal de unión para absorber altas corrientes y voltajes transitorios. Aunque las características de tensión/corriente de un diodo TVS son similares a las de un diodo zener, los dispositivos están diseñados para suprimir la tensión en lugar de regularla. Una ventaja clave de un diodo TVS es su rápida respuesta (normalmente en cuestión de nanosegundos) a los transitorios eléctricos -desviando la energía del transitorio de forma segura a tierra mientras se mantiene una tensión de "sujeción" constante- en comparación con otros dispositivos de supresión (Figura 5).

Figura 5: Un diodo TVS proporciona una vía de baja impedancia a tierra para tensiones transitorias por encima de un nivel umbral. Como resultado, el circuito protegido sólo está sometido a un voltaje seguro. (Fuente de la imagen: Semtech)

Durante el funcionamiento normal, el diodo TVS presenta una alta impedancia al circuito para tensiones hasta su tensión de trabajo (_VRWM). Cuando la tensión a través de los terminales del dispositivo supera la tensión de ruptura (V_BR), se produce una ruptura de avalancha en la unión del diodo, lo que provoca su "retroceso" o conmutación a un estado activado de baja impedancia. Esto reduce el voltaje a un nivel de sujeción (V_C) a medida que la corriente de impulso de pico transitoria (I_PP) fluye a través del dispositivo. El voltaje máximo al que está sometido el circuito protegido es igual a V_C y suele ser modesto. Una vez que la corriente disminuye por debajo de la corriente de retención (I_H), el diodo TVS vuelve a un estado desactivado de alta impedancia (Figura 6 y Tabla 1).

Figura 6: Características operativas del diodo TVS. En la tensión de ruptura, el componente conmuta a un estado activado de baja impedancia y reduce la tensión a un nivel de sujeción seguro a medida que pasa la corriente de pico transitoria. (Fuente de la imagen: Semtech)

Cuadro 1: Definiciones de los parámetros de la figura 6. (Fuente de la tabla: Semtech)

Los diodos TVS de fabricantes reputados están diseñados para proteger las interfaces cumpliendo las exigentes normas de inmunidad detalladas en documentos como IEC 61000-4-2 (Descarga electrostática), IEC 61000-4-4 (EFT) e IEC 61000-4-5 (rayos).

La norma IEC 61000-4-5, que especifica cómo probar la inmunidad contra sobretensiones, proporciona detalles de la forma de onda de sobretensión típica utilizada para determinar la capacidad de un diodo TVS. La forma de onda simula un impacto indirecto de luz y alcanza el 90% de su valor de corriente de pico (tp) en 8 microsegundos (µs) y decae hasta el 50% de su valor de pico en 20 µs. Las hojas de datos a menudo se refieren a esto como la "forma de onda 8/20 µs", y proporcionan detalles de la corriente de pulso de pico máxima de la forma de onda (I_PP) que el dispositivo de protección puede soportar. Las hojas de datos también suelen detallar la respuesta del producto a la forma de onda de sobretensión asociada causada por un golpe de luz indirecto de 1.2/50 µs (una sobretensión transitoria que alcanza su pico de tensión en 1.2 µs y decae hasta el 50 por ciento de su valor pico en 50 µs).

La otra característica clave de protección de un diodo TVS es su "tensión de resistencia contra descarga electrostática". Es la tensión máxima de descarga de electricidad estática que el dispositivo de protección puede tolerar sin sufrir daños y suele ser del orden de decenas de kV.

Diodos TVS para protección de GbE PHY

Además de GbE, hay diodos TVS disponibles para la protección de una serie de interfaces, como HDMI, USB Type-C, RS-485 y DisplayPort. Pero cada una de estas interfaces exige niveles de protección sutilmente diferentes. Por eso es importante que el diodo TVS esté diseñado para la aplicación específica.

Semtech, por ejemplo, fabrica una gama de diodos TVS destinados a la protección de interfaces GbE. Los dispositivos se fabrican con una tecnología de proceso que, según Semtech, reduce la corriente de fuga y la capacitancia en comparación con otros procesos de diodos de avalancha de silicio. Otra ventaja de esta gama de productos es su bajo voltaje de funcionamiento, de 3.3 a 5 voltios (según la versión), para ahorrar energía.

Por ejemplo, la Serie RailClamp incluye el RCLAMP0512TQTCT, adecuado para la protección de interfaces de 2.5 GbE. Características Este dispositivo tiene una capacidad I_PP de 20 amperios (A) (tp = 8/20 y 1.2/50 µs) y una potencia pulsatoria pico (P_PK) de 170 vatios. La descarga electrostática soporta un voltaje de +/-30 kV. El V_BR es de 9.2 voltios (típico), el I_H es de 150 miliamperios (mA) (típico) y el V_C es de 5 voltios típico y 8.5 voltios máximo (Figura 7).

Figura 7: Características del voltaje de sujeción del RCLAMP0512TQTCT cuando se somete a una sobretensión de 1.2/50 µs y una corriente de 8/20 µs con un pico de 20 A. Tras un breve pico, el voltaje de sujeción se estabiliza por debajo de los 5 voltios, protegiendo el GbE PHY. (Fuente de la imagen: Semtech)

El RCLAMP0512TQ es un dispositivo compacto en un encapsulado SGP1006N3T de 3 clavijas que mide 1.0 x 0.6 x 0.4 milímetros (mm).

Existen otros productos de la serie RailClamp de Semtech que ofrecen una mayor protección para aplicaciones de 1 GbE utilizadas en situaciones potencialmente más peligrosas. El RCLAMP3374N.TCT, por ejemplo, tiene una capacidad I_PP de 40 A (tp = 8/20 y 1.2/50 µs) y un P_PK de 1 kilovatios (kW). La descarga electrostática soporta un voltaje de +/-30 kV. V_C es de 25 voltios (máx.) cuando I_PP = 40 A. El componente mide 3.0 x 2.0 x 0.60 mm.

El dispositivo de gama media de la gama RailClamp es el RCLAMP3354S.TCT. Es adecuado para la protección de 1 GbE y ofrece una capacidad I_PP de 25 A (tp = 8/20 y 1.2/50 µs) y un P_PK de 400 vatios. La descarga electrostática soporta un voltaje de +/-30 kV. V_C es de 16 voltios (máx.) cuando I_PP = 25 A.

Diseño en protección de diodos TVS

La figura 8 muestra un esquema de protección GbE PHY utilizando el RCLAMP0512TQTCT. Los dispositivos están situados en el lado PHY del transformador para proteger contra sobretensiones de modo diferencial, con un dispositivo colocado a través de cada par de líneas Ethernet. Los pares diferenciales Ethernet se enrutan a través de cada componente de diodo TVS en los pines 1 y 2, con el pin 3 sin conectar.

Figura 8: Los componentes de protección de diodo TVS se colocan en el lado Ethernet PHY de los transformadores, a través de cada par de líneas diferenciales y lo más cerca posible de la magnética PHY. (Fuente de la imagen: Semtech)

El ingeniero debe limitar la inductancia parásita en la ruta de protección ubicando el componente de protección lo más cerca físicamente posible de los electroimanes Ethernet PHY, y preferiblemente en el mismo lado de la placa de circuito impreso (placa de PC). También ayuda si las conexiones a tierra se realizan directamente al plano de tierra de la placa de PC utilizando microvías.

La reducción de la inductancia parásita es especialmente importante para suprimir los transitorios de tiempo de subida rápido. La inductancia en el recorrido del dispositivo de protección aumenta la V_C a la que está expuesto el dispositivo protegido. La V_C es proporcional a la inductancia del trayecto multiplicada por la velocidad de variación de la corriente durante la sobretensión. Por ejemplo, sólo 1 nanohenrio (nH) de inductancia de camino puede aumentar el pico V_C en 30 voltios para un pulso de descarga electrostática de 30 A con un tiempo de subida de 1 nanosegundo (ns).

Tenga en cuenta que el transformador Ethernet seleccionado deberá sobrevivir sin fallos a las sobretensiones previstas. Un transformador Ethernet típico puede soportar unos cientos de amperios (tp = 8/20 µs) antes de que se produzca un fallo, pero esto debe verificarse mediante pruebas. Alternativamente, si se sospecha de la inmunidad contra sobretensiones del transformador, el componente de protección puede colocarse en el lado de línea del transformador. El inconveniente es que se pierde la protección adicional que ofrece el transformador, y la capacidad del sistema GbE para soportar sobretensiones de alta energía se limita solo a la capacidad del dispositivo de protección.

Conclusión:

GbE es un sistema de comunicación de alta velocidad fiable y muy extendido, pero todos los sistemas que utilizan conductores están sujetos a transitorios de energía debidos a fenómenos como rayos y descargas electrostáticas. El transformador, la CMC y el circuito de terminación del puerto GbE mitigan en cierta medida estas sobretensiones, pero las de modo diferencial pueden eludir esta supresión y dañar el PHY Ethernet. Se recomienda protección adicional para los sistemas críticos.

Los diodos TVS son una buena opción porque suprimen eficazmente los picos de tensión transitoria hasta un nivel seguro, no requieren rearme y son compactos y de precio medio. Se recomienda una cuidadosa adaptación del componente de protección a la aplicación, ya que están disponibles en un amplio rango de capacidades, incluida la protección contra picos de corriente. Además, se recomienda seguir unas buenas directrices de diseño, como la posición y la conexión a tierra, para maximizar la protección de un diodo TVS determinado.