工業電腦2.5Gbps網口ESD/EOS防護方案
- 尤嘉禾／台北
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工業電腦（Industrial PC）相對於一般消費型電腦來說，架構上大致相同，CPU大都以X86（Intel以及AMD）為主，在I/O端口方面大部分以USB、LAN、HDMI、DP為主，在工業電腦方面會多了Com port （RS232/RS485/RS422等）介面以跟週邊設備溝通。
不過，因為工業電腦主要講求的是穩定性、相容性以及擴充性，因此在I/O端口的傳輸速度提升需求上會比消費型電腦來得緩慢。但因工業電腦所處的環境可能較一般消費型電腦惡劣（例如：工廠、鐵道、船舶、礦場、醫療場所、電廠…等），所以會更加重視系統本身的可靠度、耐受度、抗外在干擾能力。由於研發工程師在設計時會特別注意I/O端口ESD/Surge的保護，更不容易因ESD/Surge而導致I/O端口故障，亦可降低工業電腦因I/O端口被ESD/Surge損壞的返修問題。
在最近IPC主晶片的參考設計上，Ethernet端口的傳輸速度已由1Gbps升級至2.5Gbps，各工業電腦大廠在研發新項目時，也開始以Ethernet 2.5Gbps作為標準設計。IPC產品需要通過的EMC（ESD/Surge）測試規範須符合應用環境的標準，所以較為嚴苛。ESD方面，以醫療器材標準（IEC60601-1-2）的接觸放電（Contact）±8kV，空氣放電（Air）±15kV的要求最為嚴格。
而在Surge測試需求方面，鐵路應用電子設備標準（EN50155）中有提到要測Surge（1.2/50 us） Line to Ground 2kV，Line to Line 1kV。因LAN PHY製程演進的關係，2.5G LAN PHY在測試ESD或是Surge時，相對也較1G LAN PHY更為敏感，較常遇到在測試ESD/Surge時，2.5G LAN PHY受到干擾而造成系統異常，導致測試無法通過的問題，本文將介紹Ethernet 2.5Gbps的ESD/Surge完整防護對策。
Ethernet 2.5Gbps 主要是由四組Differential Pairs訊號所組成，一組Differential Pair訊號傳輸速度約625Mbps，故ESD/Surge保護元件的寄生電容值也相對的不能太高，以避免因此導致訊號異常。進行Ethernet Surge測試時有Common mode（線對地）以及Differential mode（線對線）兩種模式，對於Common mode Surge測試模式而言，推薦使用四通道的TVS Array防護元件，建議的方案為DFN2510P10E封裝的AZ1213-04F。
因其封裝特色的關係，在PCB layout時可採用順線直拉的方式，在設計上極其方便。AZ1213-04F 訊號對地的寄生電容為2.1pF（Typ.），可抗受IEC61000-4-5 Surge（8/20us） 20A的能量。在Surge（8/20us） 20A時的Surge clamping voltage約為7.5V，而ESD Clamping voltage 在16A（IEC61000-4-2 ESD=8kV）時約為6.5V。
Differential mode（線對線）的Surge防護元件，則建議可使用DFN0603P2Y（0201）封裝的AZ5B0S-01F，寄生電容為0.18pF（Typ.），可抗受IEC61000-4-5 Surge（8/20us） 7A的能量，在Surge（8/20us） 7A時的Surge clamping voltage約為4V。
除了Common mode（線對地）以及Differential mode(線對線）的防護元件，在系統進行ESD及Surge的測試時，亦時常見到ESD能量耦合至LED控制訊號，而導致LAN PHY損壞的問題。故在LAN LED控制訊號線的防護也相對的重要，建議可使用DFN1006P2E（0402）封裝的AZ5883-01F，單體可抗受IEC61000-4-5 Surge（8/20us） 42A的能量，在Surge（8/20us） 42A時的Surge clamping voltage約為9V。而ESD Clamping voltage 在16A（IEC61000-4-2 ESD=8kV）時約為5V 。下圖圖1為2.5Gbps Ethernet 的完整保護線路。
如前文所提到，因工業電腦可能在較為惡劣的環境使用，極重視系統本身的可靠度、耐受度、抗外在干擾…等因素。故建議相關研發人員在系統電路設計初期時，可將ESD/Surge的防護先考量進去，讓2.5Gbps Ethernet端口的耐受更加強壯，以避免網口在市場端因ESD/Surge而導致功能失效的問題發生。若因成本考量不在較低階機種進行防護，亦建議在相關位置設計預留保護元件的封裝位置，以避免日後遭遇市場返修問題，甚或終端客戶要求提高規格時需要再花費時間及物力進行改版的難題。
