工业电脑 2.5Gbps网口ESD/EOS 防护方案与应用

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工业电脑(Industrial PC)相对于一般消费型电脑来说，架构上大致相同，CPU大都以X86(Intel以及AMD)为主。不过，因为工业电脑主要讲求的是稳定性、相容性以及扩充性，因此在I/O端口的传输速度提升需求上会比消费型电脑来得缓慢。但因工业电脑所处的环境可能较一般消费型电脑恶劣(例如:工厂，铁道，船舶…等)，所以会更加重视系统本身的可靠度、寿命、抗外在干扰能力。由于设计时会特别注意I/O端口ESD/Surge的保护，将更不容易因ESD/Surge而导致I/O端口故障。

在最近IPC主晶片的参考设计上，Ethernet端口的传输速度已由1Gbps升级至2.5Gbps，各工业电脑大厂在研发新项目时，也开始以Ethernet 2.5Gbps作为标准设计，在测试ESD或是Surge时，相对也较常因2.5Gbps晶片对ESD/Surge较为敏感而遇到测试无法通过的问题，本文将介绍Ethernet 2.5Gbps的ESD/Surge完整防护对策。 

Ethernet 2.5Gbps 主要是由四组Differential Pairs讯号所组成，一组Differential Pair讯号传输速度约625Mbps，故ESD/Surge保护元件的电容值也相对的不能太高，以避免因此导致讯号异常。进行Ethernet Surge测试时有Common mode(线对地)以及Differential mode(线对线)两种模式，对于Common mode ESD/Surge测试模式而言，推荐使用四通道的TVS Array防护元件，建议的方案为DFN2510P10E封装的AZ1213-04F。因其封装特色的关系，在PCB layout时可采用顺线直拉的方式，在设计上极其方便。 AZ1213-04F 讯号对地的寄生电容为2.1pF(Typ.)，可抗受IEC61000-4-5 Surge(8/20μs) 20A的能量。在Surge(8/20μs) 20A时的Surge clamping voltage约为7.5V，而ESD Clamping voltage 在16A(ESD=8kV)时约为6.5V 。请参考图1. AZ1213-04F的Surge clamping voltage 及TLP I-V特性曲线。

 

图1 . AZ1213-04F的Surge clamping voltage 及TLP I-V特性曲线

Differential mode(线对线)的Surge防护元件，则建议可使用DFN0603P2Y(0201)封装的AZ5B0S-01F，寄生电容为0.18pF(Typ.)，可抗受IEC61000-4-5 Surge (8/20μs) 7A的能量。在Surge(8/20μs) 7A时的Surge clamping voltage约为4V，请参考图2. AZ5B0S-01F的Surge clamping voltage I-V特性曲线。

图2. AZ5B0S-01F的 Surge clamping voltage I-V特性曲线

Differential mode的Surge防护元件除了前述AZ5B0S-01F之外，亦有推出DFN1006P2E(0402)封装的防护元件AZ522S-01F，寄生电容为0.2pF(Typ.)，可抗受IEC61000-4-5 Surge (8/20μs) 6.5A的能量。在Surge(8/20μs) 6.5A时的Surge clamping voltage约为5V，请参考图3. AZ522S-01F的Surge clamping voltage I-V特性曲线。

图3. AZ522S-01F的 Surge clamping voltage I-V特性曲线

除了Common mode(线对地)以及Differential mode(线对线)的防护元件，在系统进行ESD及Surge的测试时，亦时常见到能量耦合至LED控制讯号，而导致LAN PHY损坏的问题。故在LAN LED控制讯号线的防护也相对的重要，建议可先预留防护元件在LED的控制讯号线上，2.5Gbps Ethernet 的完整保护线路请参考图4。

图4. 2.5Gbps Ethernet ESD/EOS保护线路

如前文所提到，因工业电脑可能在较为恶劣的环境使用，故建议在系统电路设计初期时，可将ESD/Surge的防护先考量进去，让2.5Gbps Ethernet端口的耐受更加强壮，以避免网口在市场端因ESD/Surge而导致功能失效的问题发生。

审核编辑 黄宇