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全球工业以太网应用市场将迎来强劲增长。据一项估计，根据Grand View Research的数据，预计其规模将从2023年的约110亿美元增长到2030年近200亿美元。然而，电信应用的成功仍受限于电路保护等障碍。因此，同一研究机构发现，电信领域的电路保护应用也在推动增长。这是为了满足监管要求，公司需要保护其子系统投资免受常见电气瞬变的影响。

对于数字信号传输，尤其是在高速通信中，任何不想要的信号变化都可能引发严重的作性能问题。为应用选择合适的电路保护元件是维持五九系统运行的关键因素。

图1。高威胁环境状况的例子。（图片来源：ProTek Devices）

对于常见的电路保护配置，硬件工程师必须记住元件需要满足两个主要点。它必须保护传输信号免受环境外部威胁。这些威胁包括感应负载切换、负载大幅变化、接地和/或接地问题、公用事业电网扰动以及雷击等。工程师还必须确保电路保护元件产生的额外寄生性不会降低信号质量。

确定应用中的电气瞬态威胁

要确定外部威胁的程度，我们需要了解设备将运行的环境。在常见的电信应用中，这些电缆可以包括建筑内或建筑外部、短距离电缆，或连接设备的长距离电缆。这也可能意味着高温或冷却环境差。

图2。从寄生的角度来看，PN结可以被视为电容器。（图片来源：ProTek Devices）

IEC 61000-4-5合规标准可指导设计者在不同电气环境中应对浪涌和闪电水平。然而，另一个重要参数可能是环境温度。在定义的环境中，温度可能高于通常的25摄氏度。这两种方式都能带来独特的威胁。

电容在电路保护中的作用

还需要指出的是，在基于半导体的浪涌电路保护方案中，工程师必须考虑寄生元件。最重要的是电容和电抗，这两者很容易改变信号。

该信号可视为高频交流信号，因为只有ESR和并联电容的电抗阻抗地。如果阻抗较低，部分信号会因电流通过电容流向接地而丢失。当逻辑“1”延迟发生时，这种信号失真如图3所示。

图3。左侧电容较高，右侧电容较低。（图片来源：ProTek Devices）

计算电抗时，了解频率和实际电容值非常重要。方程 Xc = 1 / （2 × π × f f × C ） 表明，随着频率或电容的增加，电抗值会减小。这导致0-1转换的前缘开始变得平滑。另一方面，在固定频率的情况下，我们可以降低电容。然后，电抗会增加。这导致了更为棱角化的上升缘。

图4。TVS电容与传输速率。（图片来源：ProTek Devices）

寄生电容是公式中唯一可以更改的部分。通过考虑使用电路保护元件，可以减少这一问题。欧姆电阻在

反向偏置是恒定的，仅受P-N跃迁的性质影响。所以，剩下的就是降低电容以增加阻抗。

还需要提到的是设备中流过的微弱且不受欢迎的电流。当它应该“关闭”时，这叫做 leakage 电流。这一现象主要由热能引起。这会激发价带上的电子进入导带。因此，在高温环境下，机制泄漏可能更加严重。

借助先进半导体技术实现更高的浪涌能力

图5。不同的以太网技术需要不同级别的电路保护。（图片来源：ProTek Devices）

以太网技术的持续改进需要系统稳健性持续提升。这给设计工程师带来了重大挑战。如今，瞬态电压抑制技术（TVS技术）提供的电路保护可能并不总能抵消由感性耦合或高功率瞬变引起的过电压事件。

可能需要将浪涌能量限制在较低水平。更常见的是，底层电路对过压敏感，能够承受浪涌而不损坏。在这种情况下，采用晶闸管和TVS组合的混合半导体器件提供了更理想的解决方案。晶闸管技术的优点在于其开机时的撬棍特性，能将比TVS更多的能量输出到地。

举个例子，我们用一个300伏晶闸管器件，单个晶状晶圆，面积为100×100平方毫米，可能暴露在10/1000微秒的浪涌脉冲下，峰值电流为100安培。这导致大约0.7焦耳的能量耗散，而夹持电压保持在5伏到8伏之间。

图6。电压和电流脉冲低于10/1000美国TSPD。（图片来源：ProTek Devices）

将结果与一个300伏TVS设备进行比较，使用叠加骰子，总面积约为320×320平方毫米。在100A峰值电流下施加相同的10/1000微秒浪涌脉冲，能量耗散约为52焦耳，钳位电压约为345伏。

图7。电压和电流脉冲在10/1000美方电视二极管下。（图片来源：ProTek Devices）

晶闸管具有高浪涌能力和小型形制，而TVS二极管则提供小容量。这种组合让芯片组在应对激增事件时更加现代化。可以得出结论，组件的大小也很重要。如今印刷电路板空间减少，需要用于电路保护的小型元件。尤其是当设计阶段一开始就没有包含正确的零件时。

传统雪崩击穿二极管的位置

雪崩击穿二极管继续为许多设计提供了实用且经济的解决方案。这在不需要高性能需求时尤为明显。在参数变动成为限制因素的更要求高的应用中，其效果可能会下降。这些因素包括电压精度、漏电流或电容。

混合半导体技术的发展源于克服这些限制的需求。它适合需要更严格控制漏电流的应用，而在标准结 TVS 器件工作时，漏电流往往难以管理，这些器件在非常低的击穿电压下工作。

在更高工作温度下的性能提升

图8。混合晶闸管/TVS阵列的电容与温度曲线——约1.2pF，约~75°C（0V偏置1MHz）。（图片来源：ProTek Devices）

环境条件的变化进一步增加了决定整体系统性能的关键参数。你必须考虑浪涌能力、电容和漏电流的突出程度，以及电压电平的重要性，如钳位和回弹电压。这些是找到适合高温环境的电路保护解决方案的关键。

一些用于过压保护的元件具有超低电容，并且在70至80摄氏度的高温下也会干扰信号。使用新的晶闸管/TVS混合半导体阵列可以帮助克服这些障碍。

图9。功率降额曲线在8/20微秒内会带来突涌能量。（图片来源：ProTek Devices）

该技术能够在高温下提供可靠的运行，从而确保数据传输的无损。在高频千兆位域工作时，电容应低于2 pF，以实现电路功能而不产生任何不良影响。

如图8所示，晶闸管/TVS混合半导体阵列在超过标称25摄氏度参考条件时保持低电容稳定工作。

随着温度升高，器件散热的能力会减弱。如图9所示，最大额定功率在75摄氏度内保持不变。

我们可以分析典型的漏电流与结温度特性，如图10所示。这表明双侧配置中测得的泄漏值在整个评估的温谱范围内保持在低且稳定的范围内。

图10。典型漏电流与结温度的比较。（图片来源：ProTek Devices）

为了使设计更稳健，以太网保护的有效解决方案是如图9所示，使用晶闸管-TVS混合半导体阵列在差分模式下保护所有数据线。在50mA时，器件的导通状态或回弹电压通常为2.35V。这适用于±2.5V的I/O信号。

传统TVS设备的持续作用

图11。TVS混合设备布局建议。（图片来源：ProTek Devices）

当系统要求较宽松时，传统TVS设备依然是非常实用的选择。其更小的机体尺寸、更广泛的封装可用性以及价格优势，使它们依然成为一个有吸引力的选择。在浪涌保护非关键任务的应用中，仅使用混合半导体用于静电阻保护甚至可能带来不必要的复杂性和开销。

然而，混合半导体技术在漏电流和电容等参数至关重要的环境中，代表了对传统TVS解决方案的飞跃。在某些情况下，精心挑选的雪崩二极管结合基于变压器的架构，可以达到相当的保护水平。然而，设计工程师必须在这些技术可能性与现实世界的限制之间取得平衡，包括有限的PCB空间和成本敏感性。

最终，这些因素往往决定了先进混合解决方案是否合理，还是传统TVS设备仍是最高效、最务实的选择。

如今的以太网通信接口可以受益于混合电路保护解决方案

有效的电路保护在当今及未来的高速通信接口中至关重要，因为在恶劣的电气和环境条件下，必须保持信号完整性和元件可靠性。选择合适的电路保护设备需要在考虑热条件的同时，仔细平衡不同的电气参数，如电容和浪涌能力。目前最新的晶闸管/TVS混合半导体阵列技术能够提供更高的电路保护。这对于高温环境下的高速以太网运行至关重要，有助于确保低电容和更高能力。

关键词： 以太网接口 高能浪涌