EMV-Ausputzer

AkrosAS160xWithCoin_01.jpgModerne Systeme verknüpfen sich heute – dem Slogan vom Internet der Dinge folgend – zunehmend über TCP/IP und Ethernet, daher verfügen viele der dort verwendeten CPUs bereits über entsprechende Schnittstellen. Meist bedarf es nur noch eines Ethernet-Frontends und eines Transformators, um den NIC komplett zu machen. Obschon ungeliebt bei den Designern, ist der magnetische Übertrager unentbehrlich zur galvanischen Trennung, aber auch zur Dämpfung von Störungen und Spannungsspitzen. Das gelingt jedoch nicht immer im Sinne und unter den Limits des EMVGs, so dass recht häufig bei den ersten Tests in der Absorberhalle Nervosität aufkommt. In solchen Fällen helfen die EMV-Ausputzer von Akros Silicon, denn die bringen für kleines Geld 10dB Extra-Marge und gleichzeitig auch erhöhten Schutz gegen elektrostatische Entladungen.

„No Brainer“

Die beiden Bausteine AS1601 als EMV-Supressor und der AS1602 mit seiner zusätzlichen Qualität als ESD-Enhancer sind derart simpel in der Implementierung, dass sie wahrhaft als „No Brainer“ bezeichnet werden können.

AS1602_ESD_StrikePath_01_sml.gifSie bieten eine einzigartige Kombination zur Verbesserung von elektromagnetischer Verträglichkeit und Überspannungsschutz für Ethernet-Anwendungen, ohne dabei die Übertragungsqualität zu beeinflussen. Der AS16xx beinhaltet aktive Dämpfungselemente zur Reduktion des Gleichtaktrauschens um 10 dB über die gesamte Ethernet Bandbreite von 1..125 MHz und ermöglicht damit sehr einfach das Einhalten der der Klasse-„B“ Konformität nach FCC Part 15 bzw. CISPR22 und damit EMV-gerechte Entwicklungen. Zudem bietet der AS1602 einen unerreichten ESD-Schutz und ermöglicht den damit ausgerüsteten Systemen, Luftentladungen bis +/-25kV (IEC 61000-4-2 Spezifikation) und Kabelentladungen bis +/-12kV schadlos zu überstehen.

Transiente Herausforderungen

AirSDischarge_01_sml.jpgHalbleiterschaltungen bedürfen des Schutzes gegen Ereignisse im Fehlerfall, bei denen zulässige Spannungs- und Stromlimits überschritten werden. Solche Ereignisse sind meist Transienten auf den Versorgungs-leitungen, die durch Blitzschlag oder elektrostatische Entladung hervorgerufen werden. Entladungen dieser Art dauern i.d.R. mehrere 100 Nanosekunden und liefern hohe Spitzenströme. In der Mehrzahl der Fälle sind Entladungsvorgänge oder strikes differentieller Natur, d.h. sie gehen von einzelnen Anschlüssen des RJ45-Steckers aus und haben damit das Potential, über den Ethernet-Transformer zum PHY übertragen zu werden. Die magnetische Sättigung des Übertragers bietet leider keinen wirksamen Schutz, da parasitäre Induktivitäten zwischen den Wicklungen eine gute Durchlässigkeit für steile Stromspitzen zwischen Primär- und Sekundärseite bieten. Wenn ein solcher Strike an den Ausgangspins des PHYs ankommt, hängt es natürlich von seinem Energiegehalt ab, ob er in der Lage ist, die internen Schutzstrukturen zu durchschlagen. Als Entwickler jedenfalls sollte man sich darauf nicht verlassen, sondern etwas robustere Maßnahmen wie den AS1602 einsetzen.

AS1602 contra Strike

Der AS1602 wird an die differentiellen Datenleitungen zwischen PHY und Übertrager angeschlossen und sitzt dort an der strategisch richtigen Position, um sich sowohl um die Bedämpfung der Gleichtaktstörungen zu kümmern als auch um den Schutz der Schaltung gegen elektrische Entladungen. Der Baustein beinhaltet extrem widerstandsfähige ESD/Surge Schutzstrukturen sowie parametrisierbare CM-Noise Filter.

Auf Systemebene verhilft der AS1602 seinen Ethernet NICs (network interface connector) zu einer Festigkeit von ±25kV bei Luftentladungen gemäß IEC61000-4-2 (DIN EN 61000-4-2) und ±12kV bei Kabelentladungen.

Die Tabelle zeigt die Verbesserung der ESD-Widerstandsfähigkeit durch Einsatz des AS1602. Das IC verwendet Open-Drain Ausgangsstufen ähnlich denen, die in den meisten PHYs zum Einsatz kommen und erhält eine Vorspannung aus der Mittenanzapfung der Ethernet-Übertrager (VCT). Mit dieser generischen Implementierungsstrategie kann der Baustein zusammen mit allen üblichen PHYs und Übertragern eingesetzt werden und zwar in Fast-Ethernet Designs (10/100Base-T) ebenso als auch in Gigabit-Ethernet-NICs. Für letztere sind natürlich 2 AS1602 notwendig, da hier 4 Leitungspaare verwendet werden.

Test Phy Only w/ Transformer Phy w/ AS1602 w/ Transformer Improvement by AS1602
Air Discharge IEC61000-4-2    Pass+-11kV    Pass+-29kV    18kV
Cable Discharge Equivalent    Pass+-8kV    Pass+-15kV    7kV

Die Abbildung zeigt das Konzept der ESD-Schutzstrukturen innerhalb des AS1602. Positive Entladungsspitzen werden durch einen vorgespannten Diodenstapel aufgefangen, um sicheren Betrieb für viele Vdd- und Vct-Versorgungsspannungen zu gewährleisten. Negative Entladungsspitzen fangen die Substratdioden der NMOS-Ausgänge auf, die für hohe Entladungsströme ausgelegt sind. Der AS1602 verhindert das Latchup der NMOS-Ausgangstreiber des PHYs, in dem er schnell durchschaltet und die Entladungsenergie abführt.Dabei kann der ESD-Schutz sowohl sehr steile Transienten mit moderatem Energiegehalt als auch flache Transienten mit hohem Energiegehalt und extremen Überspannungen sicher aus der Schaltung entsorgen.

Wie in der Abbildung auch zu sehen ist, kommen im AS1602 Referenzdesign kleine Induktivitäten zum Einsatz, geschaltet zwischen den Pins des Ethernet-Leitungstreibers und dem AS1602. Diese Ferritperlen helfen dabei, die Entladungen direkt an die robusten ESD-Strukturen des AS1602 zu leiten und von den weniger robusten Ausgangstreibern des Ethernet-PHYs fernzuhalten. Damit erleben die PHYs keinerlei Spannungsstress und es können sogar solche PHYs eingesetzt werden, die über keinen integrierten ESD-Schutz verfügen. Da der AS1602 immer zwischen den differentiellen Signalknoten und Power-/Ground-Plane arbeitet, kann er sowohl Gleichtakt- als auch Gegentakt-ESD wirkungsvoll bekämpfen.

st

AS1602 - Dual Channel active EMI & ESD Suppressor for Ethernet Applications