工业电脑2.5Gbps网口ESD/EOS防护方案
- 尤嘉禾／台北
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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，在I/O端口方面大部分以USB、LAN、HDMI、DP为主，在工业电脑方面会多了Com port （RS232/RS485/RS422等）界面以跟周边设备沟通。
不过，因为工业电脑主要讲求的是稳定性、兼容性以及扩充性，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、矿场、医疗场所、电厂…等），所以会更加重视系统本身的可靠度、耐受度、抗外在干扰能力。由于研发工程师在设计时会特别注意I/O端口ESD/Surge的保护，更不容易因ESD/Surge而导致I/O端口故障，亦可降低工业电脑因I/O端口被ESD/Surge损坏的返修问题。
在最近IPC主芯片的参考设计上，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。IPC产品需要通过的EMC（ESD/Surge）测试规范须符合应用环境的标准，所以较为严苛。ESD方面，以医疗器材标准（IEC60601-1-2）的接触放电（Contact）±8kV，空气放电（Air）±15kV的要求最为严格。
而在Surge测试需求方面，铁路应用电子设备标准（EN50155）中有提到要测Surge（1.2/50 us） Line to Ground 2kV，Line to Line 1kV。因LAN PHY制程演进的关系，2.5G LAN PHY在测试ESD或是Surge时，相对也较1G LAN PHY更为敏感，较常遇到在测试ESD/Surge时，2.5G LAN PHY受到干扰而造成系统异常，导致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信号所组成，一组Differential Pair信号传输速度约625Mbps，故ESD/Surge保护元件的寄生电容值也相对的不能太高，以避免因此导致信号异常。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 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 信号对地的寄生电容为2.1pF（Typ.），可抗受IEC61000-4-5 Surge（8/20us） 20A的能量。在Surge（8/20us） 20A时的Surge clamping voltage约为7.5V，而ESD Clamping voltage 在16A（IEC61000-4-2 ESD=8kV）时约为6.5V。
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（8/20us） 7A的能量，在Surge（8/20us） 7A时的Surge clamping voltage约为4V。
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ESD能量耦合至LED控制信号，而导致LAN PHY损坏的问题。故在LAN LED控制信号线的防护也相对的重要，建议可使用DFN1006P2E（0402）封装的AZ5883-01F，单体可抗受IEC61000-4-5 Surge（8/20us） 42A的能量，在Surge（8/20us） 42A时的Surge clamping voltage约为9V。而ESD Clamping voltage 在16A（IEC61000-4-2 ESD=8kV）时约为5V 。下图图1为2.5Gbps Ethernet 的完整保护线路。
如前文所提到，因工业电脑可能在较为恶劣的环境使用，极重视系统本身的可靠度、耐受度、抗外在干扰…等因素。故建议相关研发人员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。若因成本考量不在较低端机种进行防护，亦建议在相关位置设计预留保护元件的封装位置，以避免日后遭遇市场返修问题，甚或终端客户要求提高规格时需要再花费时间及物力进行改版的难题。
