全球工業以太網應用市場將迎來強勁增長。據一項估計，根據Grand View Research的數據，預計其規模將從2023年的約110億美元增長到2030年近200億美元。然而，電信應用的成功仍受限于電路保護等障礙。因此，同一研究機構發現，電信領域的電路保護應用也在推動增長。這是為了滿足監管要求，公司需要保護其子系統投資免受常見電氣瞬變的影響。

對于數字信號傳輸，尤其是在高速通信中，任何不想要的信號變化都可能引發嚴重的作性能問題。為應用選擇合適的電路保護元件是維持五九系統運行的關鍵因素。

圖1。高威脅環境狀況的例子。（圖片來源：ProTek Devices）

對于常見的電路保護配置，硬件工程師必須記住元件需要滿足兩個主要點。它必須保護傳輸信號免受環境外部威脅。這些威脅包括感應負載切換、負載大幅變化、接地和/或接地問題、公用事業電網擾動以及雷擊等。工程師還必須確保電路保護元件產生的額外寄生性不會降低信號質量。

確定應用中的電氣瞬態威脅

要確定外部威脅的程度，我們需要了解設備將運行的環境。在常見的電信應用中，這些電纜可以包括建筑內或建筑外部、短距離電纜，或連接設備的長距離電纜。這也可能意味著高溫或冷卻環境差。

圖2。從寄生的角度來看，PN結可以被視為電容器。（圖片來源：ProTek Devices）

IEC 61000-4-5合規標準可指導設計者在不同電氣環境中應對浪涌和閃電水平。然而，另一個重要參數可能是環境溫度。在定義的環境中，溫度可能高于通常的25攝氏度。這兩種方式都能帶來獨特的威脅。

電容在電路保護中的作用

還需要指出的是，在基于半導體的浪涌電路保護方案中，工程師必須考慮寄生元件。最重要的是電容和電抗，這兩者很容易改變信號。

該信號可視為高頻交流信號，因為只有ESR和并聯電容的電抗阻抗地。如果阻抗較低，部分信號會因電流通過電容流向接地而丟失。當邏輯“1”延遲發生時，這種信號失真如圖3所示。

圖3。左側電容較高，右側電容較低。（圖片來源：ProTek Devices）

計算電抗時，了解頻率和實際電容值非常重要。方程 Xc = 1 / （2 × π × f f × C ） 表明，隨著頻率或電容的增加，電抗值會減小。這導致0-1轉換的前緣開始變得平滑。另一方面，在固定頻率的情況下，我們可以降低電容。然后，電抗會增加。這導致了更為棱角化的上升緣。

圖4。TVS電容與傳輸速率。（圖片來源：ProTek Devices）

寄生電容是公式中唯一可以更改的部分。通過考慮使用電路保護元件，可以減少這一問題。歐姆電阻在

反向偏置是恒定的，僅受P-N躍遷的性質影響。所以，剩下的就是降低電容以增加阻抗。

還需要提到的是設備中流過的微弱且不受歡迎的電流。當它應該“關閉”時，這叫做 leakage 電流。這一現象主要由熱能引起。這會激發價帶上的電子進入導帶。因此，在高溫環境下，機制泄漏可能更加嚴重。

借助先進半導體技術實現更高的浪涌能力

圖5。不同的以太網技術需要不同級別的電路保護。（圖片來源：ProTek Devices）

以太網技術的持續改進需要系統穩健性持續提升。這給設計工程師帶來了重大挑戰。如今，瞬態電壓抑制技術（TVS技術）提供的電路保護可能并不總能抵消由感性耦合或高功率瞬變引起的過電壓事件。

可能需要將浪涌能量限制在較低水平。更常見的是，底層電路對過壓敏感，能夠承受浪涌而不損壞。在這種情況下，采用晶閘管和TVS組合的混合半導體器件提供了更理想的解決方案。晶閘管技術的優點在于其開機時的撬棍特性，能將比TVS更多的能量輸出到地。

舉個例子，我們用一個300伏晶閘管器件，單個晶狀晶圓，面積為100×100平方毫米，可能暴露在10/1000微秒的浪涌脈沖下，峰值電流為100安培。這導致大約0.7焦耳的能量耗散，而夾持電壓保持在5伏到8伏之間。

圖6。電壓和電流脈沖低于10/1000美國TSPD。（圖片來源：ProTek Devices）

將結果與一個300伏TVS設備進行比較，使用疊加骰子，總面積約為320×320平方毫米。在100A峰值電流下施加相同的10/1000微秒浪涌脈沖，能量耗散約為52焦耳，鉗位電壓約為345伏。

圖7。電壓和電流脈沖在10/1000美方電視二極管下。（圖片來源：ProTek Devices）

晶閘管具有高浪涌能力和小型形制，而TVS二極管則提供小容量。這種組合讓芯片組在應對激增事件時更加現代化?？梢缘贸鼋Y論，組件的大小也很重要。如今印刷電路板空間減少，需要用于電路保護的小型元件。尤其是當設計階段一開始就沒有包含正確的零件時。

傳統雪崩擊穿二極管的位置

雪崩擊穿二極管繼續為許多設計提供了實用且經濟的解決方案。這在不需要高性能需求時尤為明顯。在參數變動成為限制因素的更要求高的應用中，其效果可能會下降。這些因素包括電壓精度、漏電流或電容。

混合半導體技術的發展源于克服這些限制的需求。它適合需要更嚴格控制漏電流的應用，而在標準結 TVS 器件工作時，漏電流往往難以管理，這些器件在非常低的擊穿電壓下工作。

在更高工作溫度下的性能提升

圖8。混合晶閘管/TVS陣列的電容與溫度曲線——約1.2pF，約~75°C（0V偏置1MHz）。（圖片來源：ProTek Devices）

環境條件的變化進一步增加了決定整體系統性能的關鍵參數。你必須考慮浪涌能力、電容和漏電流的突出程度，以及電壓電平的重要性，如鉗位和回彈電壓。這些是找到適合高溫環境的電路保護解決方案的關鍵。

一些用于過壓保護的元件具有超低電容，并且在70至80攝氏度的高溫下也會干擾信號。使用新的晶閘管/TVS混合半導體陣列可以幫助克服這些障礙。

圖9。功率降額曲線在8/20微秒內會帶來突涌能量。（圖片來源：ProTek Devices）

該技術能夠在高溫下提供可靠的運行，從而確保數據傳輸的無損。在高頻千兆位域工作時，電容應低于2 pF，以實現電路功能而不產生任何不良影響。

如圖8所示，晶閘管/TVS混合半導體陣列在超過標稱25攝氏度參考條件時保持低電容穩定工作。

隨著溫度升高，器件散熱的能力會減弱。如圖9所示，最大額定功率在75攝氏度內保持不變。

我們可以分析典型的漏電流與結溫度特性，如圖10所示。這表明雙側配置中測得的泄漏值在整個評估的溫譜范圍內保持在低且穩定的范圍內。

圖10。典型漏電流與結溫度的比較。（圖片來源：ProTek Devices）

為了使設計更穩健，以太網保護的有效解決方案是如圖9所示，使用晶閘管-TVS混合半導體陣列在差分模式下保護所有數據線。在50mA時，器件的導通狀態或回彈電壓通常為2.35V。這適用于±2.5V的I/O信號。

傳統TVS設備的持續作用

圖11。TVS混合設備布局建議。（圖片來源：ProTek Devices）

當系統要求較寬松時，傳統TVS設備依然是非常實用的選擇。其更小的機體尺寸、更廣泛的封裝可用性以及價格優勢，使它們依然成為一個有吸引力的選擇。在浪涌保護非關鍵任務的應用中，僅使用混合半導體用于靜電阻保護甚至可能帶來不必要的復雜性和開銷。

然而，混合半導體技術在漏電流和電容等參數至關重要的環境中，代表了對傳統TVS解決方案的飛躍。在某些情況下，精心挑選的雪崩二極管結合基于變壓器的架構，可以達到相當的保護水平。然而，設計工程師必須在這些技術可能性與現實世界的限制之間取得平衡，包括有限的PCB空間和成本敏感性。

最終，這些因素往往決定了先進混合解決方案是否合理，還是傳統TVS設備仍是最高效、最務實的選擇。

如今的以太網通信接口可以受益于混合電路保護解決方案

有效的電路保護在當今及未來的高速通信接口中至關重要，因為在惡劣的電氣和環境條件下，必須保持信號完整性和元件可靠性。選擇合適的電路保護設備需要在考慮熱條件的同時，仔細平衡不同的電氣參數，如電容和浪涌能力。目前最新的晶閘管/TVS混合半導體陣列技術能夠提供更高的電路保護。這對于高溫環境下的高速以太網運行至關重要，有助于確保低電容和更高能力。