分立还是集成：探索千兆位以太网前端保护的各种选项

来源：DigiKey
作者：Steven Keeping

千兆位以太网 (GbE) 是一个相当稳健、高速的通信系统，广泛用于家庭、商业和工业领域。但是当有意外的高电平瞬态电压冲击连接器时，这种稳健性就会受到挑战。这种瞬态事件可能是因为闪电和静电放电 (ESD) 造成的。如果没有防护，电压尖峰就会通过连接器并快速烧毁 GbE 物理层的 (PHY) 硅结构。

因此毫不奇怪，GbE 的前端设计需要采用高度保护措施。我们通常使用隔离变压器来实现这种保护。GbE 规格 (IEEE 802.3) 针对 GbE 前端定义了 2.1 千伏 (kV) 的最小隔离额定值，而大多数的商业变压器提供的隔离额定能力为 4 至 8 kV。针对 GbE 接口的附加保护则采用共模扼流圈 (CMC) 形式，使用电感器阻断高频交流电 (AC)，从而帮助降低 ESD 尖峰的严重性。

“Bob Smith” 端接也可进一步增加防护程度。这种设计是以 Robert W. Smith 命名的，他在 1993 年申请了这种设计的专利，该专利现已过期。该专利涵盖“一种用于端接电缆的装置，以尽量减少电缆的辐射和电缆对外界干扰的敏感性”。在 GbE 应用中，Bob Smith 端接通常使用 75 欧姆 (Ω) 电阻器来实现共模阻抗匹配，以帮助减少通过电容器与地相连的信号对的共模辐射（图 1）。


图 1：千兆位以太网系统中每个通道的前端电压尖峰和 ESD 保护通常由隔离变压器、CMC 和 Bob Smith 端接组成。（图片来源：Würth Elektronik）

分立式与集成式 GbE 保护之比较

作为设计人员，在实现 GbE 保护时有三种标准选项。选项一是选择自己的变压器、CMC、Bob Smith 端接和其他接地元件，然后为 PC 板设计电路。这样做的好处是，您可以通过选择高端元件来最大限度地提高保护水平，与其他选择相比，您可以在这些元件上节省一些成本，并享受到原创设计带来的满足感。缺点是设计过程比较麻烦，可能需要花费一些时间，而且单个元件比集成解决方案占用的空间更多。

选项二是选择将变压器和 CMC 集成到其中的单个模块。该模块可将多个变压器和 CMC 集成到一个组件中，以适应多个通道。这样做的好处是节省空间，设计周期更短，但可能仍需要包括 Bob Smith 端接和其他接地元件。

Würth Elektronik 在其 WE-LAN 产品线中提供了一系列此类模块。例如 749020310 WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T 表面贴装设备 (SMD)。该元件可保护四个通道，电感为 350 微亨 (µH)，60 至 100 兆赫 (MHz) 频率范围内的差分共模抑制比 (CMRR) 为 -30 分贝 (dB)，且通过了一分钟 1500 伏特 (RMS) 绝缘电压测试。

选项三是选择带有集成变压器和 CMC 的 RJ45 连接器。这是最紧凑的设计。代价是缺乏 GbE 前端组件的灵活性。Würth Elektronik 的 7499611420 WE-RJ45LAN 变压器 10/100/1000/10G Base-T 就是这样一种 RJ45 连接器，它集成了四个保护通道，包括变压器、CMC 甚至是 75 Ω 端接电阻。该连接器的电感为 120 µH，1 至 100 MHz 频率范围内的差分 CMRR 为 -28 dB，通过了一分钟 1500 伏特 (RMS) 绝缘电压测试（图 2）。


图 2：Würth Elektronik 的 7499611420 集成了四通道隔离变压器、CMC 和端接电阻器保护。（图片来源：Würth Elektronik）

使用集成保护功能的 RJ45 连接器可节省大量空间，因此该元件适用于空间有限的应用（图 3）。


图 3：与独立组件 (a) 相比，将 GbE 保护功能集成到 RJ45 连接器 (b) 中可省去保护模块，且节省了 PC 板空间。（图片来源：Würth Elektronik）

测试电磁兼容性

您可能会问，将电路紧紧包裹在 RJ45 连接器中是否会破坏电路提供的保护。Würth Elektronik 在一份内容丰富的题为“从电磁兼容性角度看千兆位以太网接口”的应用说明 (ANP116) 中给出了答案，在该应用说明中，Würth Elektronik 测试了图 3 (a) 和 (b) 所示的参考设计。

其中重要的一点是以太网电缆对千兆位以太网系统电磁兼容性 (EMC) 的影响：事实证明，电缆类型不会对 EMC 行为产生重大影响，但与屏蔽设计相比，非屏蔽电缆（也许并不令人惊讶）会表现出更高的干扰发射率和更低的抗扰度（最低到 20 dB）。

电缆如此，前端组件呢？Würth Elektronik 在此应用说明中总结道，这两种参考设计在电磁兼容性 (EMC) 方面存在差异，主要表现在对高压“突变”电平的耐受性上。

当切换电感电路时会产生火花，从而产生突变。这种突变干扰会强耦合到以太网导体结构中。如果需要在高突变级别电磁兼容环境下提高性能，建议采用分立（模块）以太网接口设计。

除了受到突变干扰时的 EMC 差异外，这两种类型的 EMC 行为相当，在 1 千兆赫 (GHz) 频率范围内，这两种设计的 EMC 始终优于美国联邦通信委员会 (FCC) 针对住宅设备的至少 10 dB 的 B 类认证限制（图 4）。


图 4：分立式（模块）和集成式（RJ45 连接器）EMC 性能（辐射干扰发射）与 FCC 住宅设备 B 类认证限制的比较。（图片来源：Würth Elektronik）

图 4 是最糟糕的情况，非屏蔽电缆处于水平天线极化状态。屏蔽电缆可进一步减少辐射。

使用设计套件试验变压器选项

由于电路保护是千兆位以太网安装的强制性要求，多年来组件经过不断改进，相应电路设计已经成熟。因此，参考设计和分立元件允许工程师构建自己的实现方案，但许多商业选择也提供集成解决方案。

Würth Elektronik 就提供了一个方便的设计套件 749945。该套件包含很多 WE-RJ45 LAN 变压器实例器件，您可以随意使用。

结语

GbE 电路保护的常用选项包括集成了保护电路且位于 RJ45 连接器和 GbE PHY 之间的模块，或者将保护电路置于外壳内而无需模块的 RJ45 连接器。在空间和前端设计灵活性之间进行取舍时，两种选项都能提供认证范围的保护。