EMV-Ausputzer
AS1601 und AS1602 zur Verbesserung von EMV und ESD in Ethernet-Frontends
Moderne 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.
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„No Brainer“
Die beiden Bausteine AS1601 als EMVSupressor 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. Sie bieten eine einzigartige Kombination zur Verbesserung von elektromagnetischer Verträglichkeit und Überspannungsschutz für Ethernet-Anwendungen, ohne dabei die Übertragungsqualität zu beeinfl ussen. Der AS16xx beinhaltet aktive Dämpfungs elemente zur Reduktion des Gleichtaktrauschens um 10 dB über die gesamte Ethernet Bandbreite von 1..125 MHz und ermöglicht damit sehr einfach das Einhalten 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 Spezifi kation) und Kabelentladungen bis +/-12kV schadlos zu überstehen. Alternative Lösungen erzielen diese Wirkung durch den Einsatz externer passiver Komponenten wie beispielsweise Dioden, TVS (transient voltage suppressors) oder magnetischen Drosseln. Die passiven Komponenten fügen aber auch unerwünschte, parasitäre Eigenschaften in die Schaltung ein und verschlechtern dadurch die Ethernet-Performance, was wiederum zu erheblichem Designaufwand führt, um sowohl die Anforderungen an elektromagnetischer Verträglichkeit als auch beste Übertragungsqualität zu erreichen.
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Gleichtaktstörungen und das Prinzip der aktiven Drossel
Störungen im Sinne der elektromagnetischen Verträglichkeit tauchen in den differentiellen Designs der Ethernet-Schnittstellen als Gleichtaktstörung auf (common mode noise – CM) und verteilen sich über die Mittenanzapfung der Übertrager auf Ground-Planes und Stromversorgung, fi nden also genügend Flächen und Leitungen zur Abstrahlung. Zur Aus fi lterung müssen daher auf den Datenleitungen Gleichtaktsignale un terdrückt und Gegentaktsignale dürfen nur so gering wie möglich beein trächtigt werden. Abbildung 1 zeigt die prinzipielle An schaltung eines AS1601 oder AS1602 an die differentiellen Datenleitungen. Die integrierte „aktive Drossel“ (active choke), ein durch Akros Silicon patentiertes Verfahren, überwacht TRD+ und TRDund schließt alle Signale gegen Masse, die auf beiden Leitungen in Phase auftreten. Dazu muss der Bau stein natürlich die Pegel beider Signale vergleichen, was mit einer Genauigkeit von 0.1% äußerst präzise geschieht. Zudem ist die aktive Drossel recht fl ink und gewährleistet damit seine CM-Suppressor- Funktion über den ge s a m t e n Frequenzbereich von Ethernet- Signalen bis 125MHz. Der Erfolg dieser Bemühungen ist eine sehr wirksame Unterdrückung von CM-Noise, der aus verschiedenen Quellen entstehen kann, sei es von den Treiberschaltungen der Ethernet-PHYs, eingekoppelte über das Kabel, oder verursacht von Schaltnetzteilen z.B. PoE-Baugruppen.
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Im Gleichtakt gedämpft
Die Verbesserung der EMV-Performance durch den Einsatz der AS16xx Bausteine werden aus dem simulierten Diagramm in Abbildung 3 deutlich. Aufgezeichnet ist der differentielle Impedanzgang an den Datenleitungen zwischen PHY und Übertrager. Die grüne Verlaufskurve gibt die CM-Impedanz eines typischen EthernetÜbertragers ohne Einsatz von AS16xx Bausteinen vor, die rote Kurve zeigt den Impedanzverlauf der endgültigen Schal tung. Der Frequenzbereich erstreckt sich von 1MHz .. 200MHz. Für niedrigere Frequenzen ist die Störunterdrückung der Übertrager alleine ausreichend und daher weniger relevant. Im darge- stellten Bereich zeigt die „aktive Drossel“ der AS16xx-ICs eine Dämpfungserhöhung von mindestens 10dB und ist damit in der Lage, die EMV-Konformität von damit ausgerüsteten Baugruppen z.B. von Klasse A auf Klasse B zu verbessern.
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Immunisierung
Ganz automatisch erhält der Entwickler mit dem Einsatz der EMV-Ausputzer neben der Reduktion von Störaussendung natürlich auch eine verbesserte Festigkeit seiner Schaltung gegen eingekoppelte Störungen. Schließlich halten die Bausteine ja den ungeliebten CM-Noise von seiner Elektronik fern und verhindern eine weitere Verteilung auf der Baugruppe.
Wie in Abbildung 4 zu sehen, absorbieren die Shunt-ICs auch hohe Pegel von Gleichtaktströmen und verhindern damit wirkungsvoll eine Beeinträchtigung der Datenübertragung.
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Transiente Herausforderungen
Halbleiterschaltungen bedürfen des Schutzes gegen Ereignisse im Fehlerfall, bei denen zulässige Spannungs- und Stromlimits überschritten werden. Solche Ereignisse sind meist Transienten auf den Versorgungsleitungen, die durch Blitzschlag, elektro statische Entladung oder Kabelentladungen (cable discharge event – CDE) hervorgerufen werden. Letztere entstehen vor allem bei der Installation, wenn lange Kabel durch Installationsschächte gezo gen werden, sich dabei elektrostatisch aufl aden und diese Ladung schließlich beim Einstecken in das Zielequipment schlagartig abgeben. 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.
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AS1602 contra Strike
Der AS1602 wird an die differentiellen Datenleitungen zwischen PHY und Übertrager anschlossen 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.
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 zu sammen mit allen üblichen PHYs und Übertragern eingesetzt werden und zwar in Fast-Ethernet Designs (10/100Base-T) ebenso wie auch in Gigabit-Ethernet- NICs. Für letztere sind natürlich 2 AS1602 notwendig, da hier 4 Leitungspaare verwendet werden (Siehe Abbildung 8). Verpackt ist das IC im QSOP16 Gehäuse und das Pinning ist sehr layoutfreundlich im Sinne eines „Flow-Through-Routings“ gestaltet, so dass der AS1602 direkt neben dem Transformator ohne Verwendung von Vias platziert werden kann, eine weitere Maßnahme zur Verringerung von Leitungsinduktivitäten und damit Verbesserung der Performance. Abbildung 5 zeigt das Konzept der ESD-Schutzstrukturen innerhalb des AS1602. Zum Einsatz kommen Akros-eigene Design- und Layouttechniken, um eine möglichst niedrige induktive Wirkung sowie geringste kapazitive zu erzeugen und damit die Ethernet-Signale nur minimal zu beeinträchtigen. Positive Ent ladungsspitzen werden durch einen vorgespannten Diodenstapel aufge fangen, um sicheren Betrieb für viele Vdd- und Vct- Versorgungsspannungen zu gewährleisten. Ne gative 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 fl ache Transienten mit hohem Energiegehalt und extremen Überspannungen sicher aus der Schaltung entsorgen. Wie in Abbildung 5 ebenfalls zu sehen, 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 ESDSchutz verfügen. Da der AS1602 immer zwischen den differentiellen Signalknoten und Power- /Ground-Plane arbeitet, kann er sowohl Gleichtakt- als auch Gegentakt-ESD wirkungsvoll bekämpfen.
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