以太网浪涌防护应用方案

过去，工程师被要求把所有的设备都与网络连接起来。但是，以太网的协议的选择是多样的。有些方法在理论上看起来是可行的，但一旦应用到实际中，就会碰到意想不到的问题。

以太网的最初设计者无法想象我们对他们的“宝贝”做了什么。最初的目的是把计算机连接在一起。数据的传输速率是10M/s。对当时的计算机处理速度来说，这已经是足够快了。计算机通常被放置在一个单独的房间或者是数据中心中。这些连接的线缆长度通常都不长于10米。这样，数据房的工作条件得到了保证，因此ESD是一个非常小的威胁，一旦电脑连接好，它们就保持了恒定的物理连接。

今天，我们使用的是千兆以太网，或者在数百米的距离上至少运行100M的快速以太网。在我们工作大楼的墙壁或者其天花板或者其他隐蔽空间中放置数英里长的线缆。我们使用以太网供电方式（PoE）来为屋顶、信息亭、灯杆甚至通信塔上的设备供电并与之通信。当你的领导告诉你以太网来替换工厂中的IEEE-488总线链路时，他可能不理解IEEE-488链路的固有健壮和稳定性，也不知道你需要做哪些事情来保持你的以太网网络在工业环境中运行。这时，您还需要一个网络线路保护方案。作为网络的安全保障卫士，它可以提供多年的无故障服务。        

       安全防护

从实际工作情况上来看，大多数以太网接口是不需要特殊保护的。因为大多数RJ-45以太网插孔后面的第一个电气部件是一个隔离变压器，它可以提供一些保护。这与大多数以太网PHY收发器集成电路中内置的ESD保护相结合，在大多数家庭和办公室环境中提供了足够的保护。问题是通常以太网接口暴露在严重威胁下的比例比较低。建筑物内的长电缆成为长天线，可以将雷击产生的能量耦合到网络中。如果将它们暴露在户外例如：信息亭，或屋顶或顶部的监控摄像头。这些“天线”甚至可以收集闪电能量。

当安全性、可靠性问题首次浮出水面时，有些电路保护公司开发了“加密狗”方案，提供额外的ESD过电压保护。当“加密狗”插入有问题的RJ-45插孔，并提供了一个防浪涌的RJ-45插孔。它们被添加到路由器或其他遇到故障的设备中，在一定程度上是有效的。

随着数据传输速率的提高，以及“PoE”技术的出现，这就需要有定制化的解决方案。以前单纯的“加密狗”方法往往是不够的。但是，“PoE”技术也存在一些问题。因为，存在的直流电压会使专为2V以太网信号设计的收发器出现过电压保护跳闸。由于为10Base-T或100Base-T网络设计的保护方案的容性负载，千兆位数据速率可能会遭受严重的数据错误。虽然“PoE”提供了过电流保护功能，但对那些会损害其他类型电源设备的电气瞬态来说，这些系统也很易遭受同样的损害。

与10Base-T不同，千兆位以太网使用一种复杂的编码方案，它需要一个非常线性的通道才能长距离传输。根据外加电压的不同，硅二极管和晶闸管通常显示出非线性电容。千兆位以太网还使用比百兆以太网快10倍以上的时钟频率，这使得信号对电缆和任何使用的保护设备的电容更加敏感。

设计方案构建一个强大的以太网防护系统，通常需要一个“分层”设计的方法，采用电源+网络二合一集成设计，多级保护电路它由第一层、第二层和有时是第三层组成。每个层级对应不同任务：

第一层  晶闸管或硅工艺的装置。如Littelfuse的SDP-Q38CB宽带SIDACtor保护型晶闸管。它可以提供所需的浪涌处理能力与最小的电容负载。SIDACtor保护型晶闸管对数据信号的影响极小。创新型硅设计可实现适用于高带宽应用的电容负载特性。具有SO-8占位的表面贴装QFN封装的浪涌能力超过了大部分全球应用最广泛的建筑物内部标准以及二次侧保护器浪涌承受力的建议标准。这些薄型晶闸管具有低失真和低插入损耗，虽然，初级层通过过高的电压，但它确实限制了浪涌的持续时间，因为大部分能量被分流到地面。

对于“PoE”应用，保护装置的击穿电压必须高于“PoE”电源电压。此外，设计工程师必须确保在启动保护后，当连接到电源时，主保护系统将“退出”或“复位”。通常，这需要一个可折回限流的“PoE”电源并且保护装置处于高保持电流状态。

图2：Littelfuse SDP-Q38CB宽带SIDACtor保护型晶闸管

第二层  高频变压器隔离，不仅为PHY收发IC提供直流隔离，它们微小的磁芯容易饱和，限制了耦合到收发器电路中的能量。但是，线圈之间的隔离必须能够承受初级层的通电电压而不发生故障。请记住，GDT的直流击穿电压可能为90V，但在快速雷电冲击条件下可能会超过500V。线圈间电容也可以通过隔离栅耦合能量，但这通常比磁耦合能量小。 第三层  当初级和次级保护单元已经去除了“PoE”功率，并将最大电压和电流限制在可控的水平，其中许多技术从ESD保护装置技术中得到借用的。 安森美半导体的NUP4114系列产品（图3）用于保护电压敏感元件和高速数据免受ESD的影响。具有超低电容、出色的钳位能力、低漏电流和快速响应特性。

图3：安森美半导体ESD保护二极管和阵列

如今要求苛刻的以太网应用远远超出了最初以太网概念的范围——在距离、数据速率和浪涌威胁等方面。通过仔细的工程设计，强大的以太网络可以应用于苛刻的环境中。