乙太網端口會暴露於外部瞬態事件如靜電放電（ESD），快速暫態脈衝（EFT），電纜放電（CDE）等。外部的瞬態電壓抑制器（TVS）二極體通常用於保護乙太網PHY免受這些威脅。但是，我們發現困惑大家的有如何最好地連接使TVS二極體以獲得最大效率。常見的建議為TVS二極體連接到RJ-45連接器附近。實際上，TVS應該跨接於信號對上，並位於連接器的PHY側。在此文中，我們將研究其原因。
乙太網接口 典型的乙太網端口包括隔離變壓器，共模扼流圈和端口端接，如圖1所示。根據IEEE 802.3標準對乙太網接口的要求，這些變壓器的最低隔離額定值為1500 VRMS（2.1kV）。共模扼流圈通常與隔離變壓器集成在一起，可減少EMI輻射。乙太網端口通常使用“ Bob Smith”終端，該端接在每個信號對使用一個75歐姆電阻用於共模阻抗匹配，並通過一個高壓1000pF電容器共同連接到機箱接地。目的是實現更好的共模抑制。
圖1 –乙太網接口組件©Semtech Corporation 2020
共模和差模浪湧
實際上，影響乙太網端口的瞬態事件有機會是共模或差模。在共模浪湧期間，所有接點相對於地面都會產生相同的瞬間電壓。由於所有接點都處於相同電位，因此電流不會從一個接點流到另一接點，而是流經設備再下到地。電流的常見路徑是通過變壓器中心抽頭和Bob Smith終端電路（圖2）流經至地面。
圖2 –共模浪湧電流©Semtech Corporation 2020出現在同一電纜中兩個接點之間的浪湧稱為“差模浪湧”。在這種情況下，電流將流經差分對的一條線路上通過變壓器，然後流出另一條線路上的端口。流經變壓器初級線圈的瞬態電流會給繞組充電，並在次級線圈上感應出浪湧電流（圖3）。
圖3 –差模浪湧電流©Semtech Corporation 2020
設備測試標准通常會指定是否要在共模和/或差模下測試浪湧。雷電浪湧標準（例如IEC 61000-4-5）要求同時進行差模和共模浪湧測試。根據IEC 61000-4-2，通常在導體和地面之間施加ESD脈衝。由於放電的參數的變化性相當大，目前沒有用於CDE的測試標準。許多製造商已經開發了自己的測試方法，這些方法通常包括對電纜充電後並將其插入RJ-45連接器。將乙太網電纜插入連接器後，可能會有許多的接觸時間差。一個引腳很可能先接觸隨後的引腳再接觸。儘管在共模環境下充電，但最終產生的放電通常是差模。
共模轉換至差模 在某些情況下，共模暫態脈衝可以轉換為差模暫態脈衝。例如，工程師通常在線端的電路中置放高壓保護元件於每個線組和地面之間，例如氣體放電管（GDT），以抑制雷擊引起的浪湧。對於共模浪湧，理論上GDT將立即觸發並將電流傳導至地面。實際上，GDT永遠不會以相同的電壓觸發。一個GDT將首先觸發，有效地使該線路接地，並導致時間差與另一條線產生差模瞬變。
保護方法的應用 現在，我們對乙太網端口上可能出現的電湧類型有了更好的了解，我們可以消除對如何使用TVS的困惑。從上面的敘述可以清楚地看到，在變壓器的線路側置放保護元件會引起更多的問題，而不是解決的問題。而且，實際上不需要它。隔離變壓器和終端網絡可提供共模浪湧的保護。如前所述，乙太網應用中的變壓器的最小隔離電壓為2.1kV。實際上，許多商用變壓器實際上能隔離隔離4-8kV的瞬態電壓。在選擇終端網絡的電阻和電容器，需挑選電壓和電流額定值足以承受ESD和EOS之元件。我們在實驗室中看到過許多實例,電容器在浪湧測試期間損壞,或者電阻器由於太小而無法消散能量而遭到破壞。
要防止差模電湧，需要使用TVS二極體。如果沒有外部保護，則輸入端將吸收瞬態能量，該瞬態能量由變壓器傳遞給次級。考慮到大多數收發器都具有ESD耐受能力，但輸入仍可能會損壞元件。舉例如Semtech的RClamp®3361P的典型保護方案如圖4所示。每組差分線路上接上一個TVS。RClamp3361P具有低崩潰電壓和深回的負電組特性。因為TVS與PHY並聯。TVS必須箝位在故障閾值電壓以下，並限制流入PHY引腳的電流量。
圖4 –RClamp3361P的保護電路©Semtech Corporation 2020
在變壓器的PHY側放置保護是有幫助的，因為浪湧電流的大小和持續時間會被變壓器繞組衰減。這是因為隨著初級繞組中浪湧電流的增加，變壓器進入會飽和並停止從初級繞組到次級繞組的耦合電流。衰減量將因磁性材料的供應商和配置而異。典型的乙太網變壓器在出現故障之前可以承受幾百安培（tp = 8 / 20us），但這需要通過測試進行驗證。依靠變壓器的隔離特性以及TVS二極體，即可以實現強大的乙太網保護。