Защита высокоскоростных коммуникационных интерфейсов
Коммуникационные системы сегодня все больше зависят от степени внедрения, глубоких субмикронов, CMOS-устройств, функциональных производственных процессов, в которых используются очень точные линейные расстояния и тонкие диэлектрические слои. К сожалению, перепады напряжения, все же, неизбежны для большинства электронных устройств. Меньшая геометрия этой электроники делает ее особенно чувствительной к влияниям перепадов напряжения. Более того, адекватная встроенная в чип защита является, в лучшем случае, весьма дорогостоящим решением, которое может оказаться неприемлемым. Следовательно, внешние детали, разработанные для того, чтобы абсорбировать или отводить высокоэнергетичные всплески, являются первичной линией защиты уязвимых электронных устройств.
Защита чувствительных деталей от разрушительных воздействий перепадов напряжения не всегда является первоочередной задачей. Рост сложности сегодняшних систем коммуникации, включающий в себя возросшую частоту операций и уменьшение размеров, в совокупности с применением высокочувствительных компонентов, показал, что большинство традиционных методов защиты от перепадов напряжения просто бесполезны. Традиционные решения, такие как применение разрядников, полупроводниковых стабилитронов, дистанционно управляемых сетей, фиксирующих диодов, могут дать ложное чувство безопасности или, что даже хуже, вмешиваться в ожидаемые процессами цепи. К примеру, распространенная защита — диод, подавляющий 5-Вольтовый перепад напряжения (TVS) в стандартном (DO-214AA) наборе — может добавить несколько сотен pF к емкостному сопротивлению защищаемой цепи, вызывая серьезное угасание высокочастотного сигнала.
Защита высокоскоростного интерфейса, в частности, ставит сложную задачу перед системным дизайнером. Именно от него требуется инновационный подход к защите технологии и топологии, так же как и внимание к производственным стандартам требований безопасности.
угроза перепадов напряжения
Перепад напряжения — это случайные пики или пульсации напряжения с амплитудой намного большей, чем нормальное операционное напряжение в цепи. Типичное явление такого перепада может возникнуть где угодно, и длиться от десятков наносекунд до нескольких миллисекунд. В то время как перепады напряжения могут возникать по различным причинам, грозовой или статический разряды являются двумя наиболее распространенными угрозами коммуникационному оборудованию.
Перепады, вызванные ударом молнии, характеризуются высокоэнергетичными, длительными импульсами, которые длятся от десятков до тысяч микросекунд. Такой импульс обычно определяется двумерной экспоненциальной формой волны, замеряемой на экспоненциальном темпе нарастания (от 10% до 90% на пике) и на экспоненциальном затухании (от 50% на пике). Распространены формы волн 10/1,000 µs (интерпретируются как 10 µs на время подъема и 1,000 µs на затухание) и 2/10 µs , как определяет спецификация Bellcore 1089 для первого уровня (наружное) и второго уровня (внутреннее) импульса, соответственно (см. рисунок 1).
Рис. 1.
Электростатический разряд (ЭСР) является другим очень распространенным, потенциально разрушительным явлением перепада напряжения. Он может произойти тогда, когда аккумулированное статическое напряжение разряжается от одного объекта к другому, с низким потенциалом. Статическое электричество генерируется тогда, когда два непроводящих материала натираются друг об друга, вызывая переход электронов между объектами. Материалы, на которых возникает ЭСР, относятся к серии трибоэлектрических, в них входят нейлон, бумага, резина, винил.
Человеческое тело является великолепным аккумулятором статического напряжения. Представьте себе человека, который идет по ковру из синтетического материала в обуви с изолирующей подошвой, например, резиновой. Ковер и резиновая подошва ботинок трутся друг об друга, напряжение растет на подошвах, переходя, в конечном счете, на тело человека. Когда этот человек вступает в контакт с токопроводящим объектом, например коаксиально-волноводным переходником, происходит разряд.
Эти разряды напряжения могут легко достичь 15кВ. Фактически, наиболее широко принятый стандарт ЭСР-защиты, IEC 1000-4-2, использует человеческое тело, как модель для определения тестового ЭСР электрическое напряжение, диапазон которого от 2кВ до 15кВ (воздушный разряд). Пиковый ток определяется на 30А. Форма волны разряда достигает пика в 1 наносекунду с общей продолжительностью до 60 наносекунд (см. рисунок 2).
Рис. 2.
Но не только человеческое тело может стать причиной статического разряда. Фактически, для сетевых кабелей вполне обычно накопление напряжения при работе. Статический разряд может произойти тогда, когда кабель присоединяется к коннектору ПК. Это может вызвать серьезные проблемы с "железом" для Ethernet, особенно, принимая во внимание тот факт, что удивительно большое количество производителей не обеспечивают свои изделия адекватной защитой.
защитные элементы
Защитные элементы должны выполнять две основные функции: отклонять перепад от цепи или фиксировать перепад напряжения ниже порога повреждения защищаемой микросхемы для данной ширины импульса. В дальнейшем, во время нормальной работы цепи (без явлений перепада), защитный элемент не должен ухудшать функционирование той цепи, которую он защищает.
В общем, гасящим элементам для высокоскоростных интерфейсов требуется очень быстрое время реакции, низкое защитное и рабочее напряжение и, в случае портативных или ручных устройств, они должны занимать минимум рабочего пространства. Как правило, чем ближе находится элемент, гасящий броски напряжения, к устройству, которое он защищает, тем лучше могут быть его ограничивающие характеристики.
На сегодняшний день, стратегии гашения перепадов напряжения все чаще основываются на технологиях TVS-диодов, поскольку это лучше удовлетворяет требованиям низкой стоимости, чем другие подходы. TVS-диоды имеют продолжительную и подтвержденную историю успешного гашения перепадов напряжения на уровне ПК. Более того, их характеристики не ухудшаются, так как они работают в пределах спецификации, определенной изготовителем устройства.
К сожалению, ниже 5В, стандартная технология TVS-диодов становится непрактичной. Традиционно TVS-диоды — это кремниевые плоскостные диоды, которые намеренно разработаны с большой областью перехода, для того чтобы позволить им справляться с высокими скачками напряжения. Это делает их бесполезными для использования при низком напряжении, так как их емкостное сопротивление напрямую относится к области перехода и растет экспоненциально, в то время как рабочее напряжение снижается. Емкостная нагрузка, даваемая в традиционном TVS-диоде сигналу в высокоскоростном или длиннолинейном приложении, приводит к значительному ухудшению или отражению сигнала.
Вдобавок, использование высококонцентрированных присадок может заставить устройства достичь очень низких нейтральных напряжений, но, также, выразится в очень высоком возвратном токе утечки и переходной емкости выше нормальной. Потому нам требуется альтернативный подход к технологии диодов TVS.
Этот подход к низковольтовым TVS с низким емкостным сопротивлением используется сегодня в усиленных NP-диодах. Дизайн этого устройства защищает чувствительные, низковольтовые интегральные схемы в высокоскоростных системах коммуникации.
Как правило, топология, используемая для низкоемкостной защиты, может быть разбита на три конфигурации. Эти подходы включают в себя защиту низкоемкостного переключателя, rail-to-rail защиту и низкоемкостный мост.
Конфигурация низкоемкостного переключателя имеет преимущества отношений последовательности/емкости. Из-за того, что емкость сети из двух конденсаторов в последовательности меньше, чем наименьшего компонента, диоды TVS могут транслировать это отношение путем интеграции низкоемкостного компенсаторного выпрямителя в последовательности с диодом TVS (см. рисунок 3). Устройства, доступные сегодня, интегрируют одну или более пар защитных компонентов, в зависимости от приложения.
Рис. 3.
К примеру, низкоемкостный переключатель широко используется в 10/100- и 10/100/1000-Ethernet. Контроллеры, которые должны применятся в этих решениях, становятся все более чувствительны к повреждениям. Все это потому, что они должны изготавливаться с точностью 0.35-µm или еще точнее. Эти приложения также являются подходящим примером, потому как потенциально фатальный разряд может произойти от наэлектризованного кабеля или человеческого тела, или от перепада напряжения во время грозы.
В типичной системе, кабель для каждого Ethernet-порта состоит из двух сигнальных пар — одна на передатчик, другая на приемник, что делает выход передатчика более чувствительным к повреждениям. Фатальный разряд происходит дифференцированно между приемной и передающей парами линии и удваивается на трансформаторе по пути к чипу Ethernet-контроллера.
Ключом к тому, чтобы избежать фатального разряда, может стать применение диода TVS, который будет ограничивать бросок напряжения достаточно низко для того, чтобы предотвратить зависание или повреждение Ethernet-микросхемы в процессе минимизации количества добавляемой емкости. В результате, устройство будет обеспечивать рабочее напряжение в 2.8 В с типичной емкостной нагрузкой менее чем 5 pF.
На практике, защита в этих приложениях достигается путем соединения двух подобных устройств в антипараллельном расположении, на концах каждой пары. Это позволяет быть уверенным в том, что компенсационный диод не имеет обратного смещения во время перепадов (см. рисунок 4).
Рис. 4.
Во время того, как происходят отрицательные перепады напряжения, управляющий диод в первом устройстве служит проводником вперед, в то время как TVS будет проводить в обратном направлении. Во время положительных перепадов, второе устройство будет вести себя аналогично. В этой конфигурации общая емкостная загрузка исчисляется суммой емкости каждого устройства (обычно, менее чем 10 pF).
Другое распространенное средство защиты высокоскоростных линий передач данных — это применение низкоемкостных управляющих диодов в конфигурации rail-to-rail (см. рисунок 5).
Рис. 5.
Два устройства на каждой линии соединены между двумя зафиксированными схемами подачи опорного напряжения, такими как V CC и "земля". Когда бросок напряжения на линии превышает падение прямого напряжения диода (V F) плюс обратное напряжение, диоды направляют волну на шину питания или на землю. У этого метода есть несколько преимуществ, включающих низкую емкостную нагрузку, быстрое время реакции и, фактически, он является по своей сути, двунаправленным (в пределах области обратного напряжения).
Как бы то ни было, при использовании этой топологии, можно столкнуться с несколькими проблемами. Во-первых, дискретные элементы обычно не рассчитаны на то, чтобы поддерживать высокие потоки броскового напряжения, связанные с событиями ЭСР (небольшие выпрямители сигнала обычно создаются с очень маленькой площадью перехода). На высокопотоковых плотностях, V F этих устройств поразительно увеличивается, до превышения номинальной мощности. Когда это происходит, защищаемый элемент, или даже защитный диод, может быть поврежден, либо разрушен.
Другая проблема, связанная с данной конфигурацией — это потенциальная угроза повреждений, которые могут произойти с направляющими поток устройствами, как результат перенаправления волны на шину питания. Это можно легко обойти путем добавления диода TVS на шину питания, для того, чтобы волна направлялась на землю, и фиксировать напряжение ниже уровня максимально допустимого для данного устройства напряжения.
Бережное отношение к схеме также важно для эффективной rail-to-rail топологии. Паразитные индуктивные токи между TVS-диодом и управляющим диодом могут вызвать существенный подъем при фиксации напряжения. Эти проблемы решаются путем использования доступных устройств, с интегрированным TVS/управляющим диодом. Эти устройства включают контролирующие всплески, низкоемкостные управляющие диоды и TVS-диод в одной комплектации. Такой комплексный дизайн снижает количество компонентов и минимизирует паразититные индуктивные токи.
Третья, низкоемкостная защита топологии является мостовой конфигурацией, показанной на рисунке 6.
Рис. 6.
Выпрямляющий мост снижает емкостную нагрузку и безопасно проводит входящие броски напряжения через диод TVS. Используя эту топологию, вы можете защитить линии данных, как обычным, так и дифференциальным способами.
Как бы то ни было, применить данную топологию с использованием дискретных элементов достаточно сложно. Для стартеров, выбор подходящего выпрямляющего моста является критичным, так как устройства должны выдерживать высокие, прямонаправленные всплески с низкими характеристиками V F. Также, должное внимание требуется к расположению устройства на схеме, для того, чтобы снизить влияние отклонений напряжения от установленных значений, происходящих вследствие паразитных индукционных токов.
Более чистым является подход, предполагающий использование интегрированных устройств, которые соединяют в себе контролирующий всплески диодный мост и высокомощный диод TVS в одном комплекте — SO-8. Это устройство специально разработано для защиты высокоскоростных телекоммуникационных интерфейсов и удовлетворяет требованиям безопасности Bellcore 1089 для встроенных интерфейсов. Оно может использоваться само по себе или в соединении с интегрированными rail-to-rail устройствами для телекоммуникационных интерфейсов, таких, как T1/E1, DS-3, и ISDN.
соображения по разводке плат
Разводка плат критична для гашения мгновенных бросков ЭСР, так как напряжение растет через индуктивную нагрузку пропорционально времени/степени текущих изменений (V=Ldi/dt). Общее фиксированное напряжение, наблюдаемое в результате защищаемой нагрузки, будет суммой фиксированного напряжения TVS и напряжения вследствие паразитных индуктивных токов (V C(TOT) =V C +L di/dt). Очень важно то, что паразитные индуктивные токи в защищаемом участке могут вызвать значительные скачки напряжения, снижающие эффективность гашения в цепи.
К примеру, бросок напряжения, вызванный ЭСР, достигает своего пика примерно через одну наносекунду. Для 30-А импульса (для IEC 1000-4-2, Уровень 4), 1 nH последовательной индуктивности увеличивает эффективность фиксации напряжения до 30V (V=1x10-9 [30/1x10-9]). Для максимальной эффективности рекомендуются следующие инструкции по разводке плат:
— минимизировать длину пути между защитными элементами и защищаемой линией;
— разместить защитные элементы как можно ближе к коннектору для того, чтобы ограничить переход бросков напряжения на близлежащие дорожки;
— минимизировать длину пути (индуктивность) между коннектором и защитными элементами.
В будущем, устройствам гашения бросков напряжения потребуется более высокий уровень интеграции, более низкая емкостная нагрузка, меньшие размеры. Комбинирование множества технологий в одном комплекте, наряду с улучшением рабочих характеристик, даст ключ к дальнейшим инновациям.
Bill Russell, перевод Софии Кремлевой. Впервые опубликовано на NAG.ru
обсуждение статьи
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 08 за 2003 год в рубрике технологии
