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    一種具暫態能量防護能力的網路通訊裝置及其印刷電路板，該裝置包含：收發器、變壓器、連接器、火花隙與一暫態能量觸發電路。該變壓器耦接在該收發器及連接器之間，該暫態能量觸發電路與該火花隙並聯於變壓器與一接地端之間，或者，並聯於該變壓器的任兩條差動訊號導線之間。該暫態能量觸發電路以及該火花隙提供多路之暫態能量消散路徑，該暫態能量觸發電路用以將一第一暫態能量導到該接地端，而該火花隙則用以將一第二暫態能量導到接地端。
    公开号:TW201322912A
    申请号:TW100142615
    申请日:2011-11-21
    公开日:2013-06-01
    发明作者:Tay-Her Tsaur；Cheng-Cheng Yen
    申请人:Realtek Semiconductor Corp；
    IPC主号:H01T4-00
    专利说明:
    具暫態能量防護能力的網路通訊裝置及其印刷電路板
    本發明係關於通訊裝置，特別是關於一種具暫態能量防護能力的網路通訊裝置及其印刷電路板。
    早先IEEE所制訂的乙太網路標準為802.3的IEEE 10BASE5，這個標準主要的定義是：10代表傳輸速度為10Mbps，BASE表示採用基頻信號來進行傳輸，5則代表每個網路節點之間最長可達500公尺。後來，IEEE更制訂了802.3u這個支援到100Mbps傳輸速度的100BASE-T標準。至於目前我們常常聽到的Gigabit網路速度為1,000 Mbps，代表為Gigabit ethernet。
    第1圖為乙太網路通訊裝置的架構圖，變壓器30耦接於收發器20和連接器40之間，連接器40係用以連接其他網路設備。由於收發器20與連接器40所連接之遠端網路設備會因為遠距離的傳輸而存在電壓準位差異，因此需以變壓器30加以轉換。
    網路設備常受到暫態能量的干擾而導致設備的損壞，因此需以靜電放電測試(Electrostatic Discharge Test；ESD)、電氣快速脈衝暫態脈衝測試(Electrical Fast Transient/Burst Test；EFT/Burst)與雷擊測試(Surge Test)等檢驗電子設備對暫態能量的防護能力。
    (1)　ESD測試：正電荷或是負電荷會因摩擦或感應起電而逐漸累積在人體或電路元件中，在累積到與周圍環境產生足夠大的電位差後，即會發生靜電放電的現象並產生放電電壓以及短暫的大電流，這可能會導致電器或電子設備的電路元件受損或發生故障。這項測試的目的是評估IC產品在運輸、操作等狀況下，人體或機台的靜電經由IC接腳傳入IC內部時，電路的防護能力及敏感度。
    (2)　EFT/Burst電氣快速暫態脈衝測試：當電感性負載(如繼電器、按觸器等)斷開時，由於開關觸點隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，會在斷開點處產生暫態擾動。EFT測試是為了測試待測物運作在含有脈衝雜訊的電源時的防護能力。
    (3)　Surge衝擊測試，又稱雷擊測試：當雷擊擊中電力系統或通信線時，會造成巨大的暫態過電壓或過電流，一般稱作浪湧或沖擊。浪湧可造成幾百伏特到幾萬伏特的瞬間電壓，或是從幾百安培到上千安培的瞬間大電流。雷擊測試的目的是為了檢驗電子和電氣設備抵抗浪湧的防護能力。
    網路設備不僅與一般電氣系統連接，且會透過長距的通信線與遠端裝置相連，因此需具備抵抗前述暫態能量的能力。
    本發明的目的之一，在於提出一種具暫態能量防護能力的網路通訊裝置，包含：一變壓器，供耦接至一收發器；一連接器，耦接該變壓器；一暫態能量觸發電路，耦接在該變壓器及一接地端之間；以及一火花隙，並聯該一暫態能量觸發電路；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到該接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    本發明的目的之一，在於提出一種應用於網路通訊裝置的印刷電路板，該網路通訊裝置包括一收發器以及一連接器，一變壓器耦接在該收發器及該連接器之間，該印刷電路板包括：一暫態能量觸發電路，供耦接到在該變壓器及一接地端之間；以及一火花隙，並聯該暫態能量觸發電路；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到該接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    本發明的目的之一，在於提出一種具暫態能量防護能力的網路通訊裝置，包含：一變壓器，供耦接至一收發器；一連接器，耦接該變壓器；一暫態能量觸發電路；以及一火花隙，與該暫態能量觸發電路並聯在該變壓器之一次側的二端之間或在該變壓器之二次側的二端之間；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到一接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    本發明的目的之一，另在於提出一種應用於網路通訊裝置的印刷電路板，該網路通訊裝置包括一收發器以及一連接器，一變壓器耦接在該收發器及該連接器之間，該印刷電路板包括：一暫態能量觸發電路；以及一火花隙，與該暫態能量觸發電路並聯在該變壓器之一次側的二端之間或在該變壓器之二次側的二端之間；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到一接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    變化地，設置一第二暫態能量觸發電路，與該暫態能量觸發電路以及該火花隙並聯。
    本發明將火花隙與暫態能量觸發電路並聯，當暫態能量較小時，可透過暫態能量觸發電路將能量消散，如暫態能量較大，則可透過火花隙將能量消散，以此種雙重路徑的方式達成保護電子系統之功效。
    第2A圖係本發明提出之網路通訊裝置第一實施例的示意圖，變壓器30耦接在收發器20和連接器40之間，變壓器30包含有兩組線圈，第一組線圈的二次側包含第一差動訊號導線60、第二差動訊號導線62及第一中心抽頭50，第二組線圈的二次側包含第三差動訊號導線64、第四差動訊號導線66及第二中心抽頭52。第一差動訊號導線60、第二差動訊號導線62、第三差動訊號導線64、第四差動訊號導線66連接至連接器40。變壓器30的一次側的各個線圈組的耦接至收發器20，其二次側的各個線圈組的則耦接至連接器40。暫態能量觸發電路102/104與火花隙100/106並聯在變壓器30和接地端之間，在本實施例中，暫態能量觸發電路102與火花隙100並聯在第二中心抽頭52與接地端之間，暫態能量觸發電路104以及火花隙106則並聯在第一中心抽頭50與接地端之間。當連接器40被打入暫態能量時，暫態能量觸發電路102及104可將較低的暫態能量導到接地端而消散，當出現的是暫態大能量時，則可藉由火花隙100/106之跳火，將較高之暫態能量導到地端而消散。在變壓器僅有一組線圈的實施例，或其他實施例中，亦可以僅在一中心抽頭與接地端之間耦接一並聯的暫態能量觸發電路和火花隙。
    本實施例在中心抽頭50和52與接地端之間設置了火花隙100/106與暫態能量觸發電路102/104並聯之電路，作為在ESD測試、EFT測試或Surge測試時的能量消散的多重路徑，當有暫態能量透過連接器40輸入到電路時，即使暫態能量無法使火花隙跳火，仍可透過暫態能量觸發電路將能量消散到接地端，而不會累積在電路中而造成電路損毀或錯誤。
    該些暫態能量可以是靜電放電能量或電氣快速暫態脈衝能量或雷擊能量。相對於雷擊能量，靜電放電能量與電氣快速暫態脈衝能量的能量一般較小，可以藉由暫態能量觸發電路來將突波電壓或電流導到地。而雷擊能量較大，其產生的大電壓與大電流，則可以藉由火花隙跳火而消散到接地端。
    第2B圖為不同能量強度的第一暫態能量A與第二暫態能量B的示意圖，第二暫態能量B大於第一暫態能量A。在第2A圖的實施例中，第一暫態能量A可經由暫態能量觸發電路消散到地，而第二暫態能量B則因其能量足以以火花隙跳火，因此將經由火花隙消散到地。
    請參考第2C圖，其為第一暫態能量A經由第一消散路徑P1的示意圖。當第一暫態能量A由第三差動訊號線64進入時，第一暫態能量A將透過第一消散路徑P1，自連接器40輸入，依序經由變壓器30的第三差動訊號導線64、第二中間抽頭52，以及並導通暫態能量觸發電路102而導到接地端。
    請參考第2D圖，當較高之第二暫態能量B由第三差動訊號線64進入時，第二暫態能量B自連接器40輸入，依序經由第三差動訊號導線64、第二中間抽頭52，並使火花隙100跳火而導通到接地端，完成能量消散。
    第2C、2D圖係為由第三差動訊號線64進入時的實施例，當暫態能量由連接器的其他差動訊號導線進入時，消散路徑皆可類推，不再贅述。
    其中，暫態能量觸發電路可以是氣體放電管(Gas tube)、或者暫態電壓抑制(Transient voltage suppression，簡稱TVS)二極體、又或者二極體與基納二極體的串聯電路，此外，暫態能量觸發電路亦可以印刷電路板(Print Circuit Board;PCB)layout的方式，藉由佈線於PCB上來實現。請參考第3A圖，暫態能量觸發電路100可由二極體80和基納二極體82構成，二極體80與基納二極體82串接在變壓器30和接地端之間，若選用工作電壓為50伏特的基納二極體82，只要暫態能量大於50伏特，即可通過基納二極體82而導引到接地端。
    請參考第3B圖，暫態能量觸發電路100亦可由TVS二極體84構成，用以將一暫態能量導引到地。在其他實施例中，暫態能量觸發電路100亦可由串聯的電阻86和電容88組成，或其他會因暫態能量而導通的電路或晶片，請參考第3C圖。上述暫態能量觸發電路之實施方式並非本發明之限制，暫態能量觸發電路之實施方式當可視電子系統的實際應用來加以選擇與改變。
    在一些實施例中，火花隙可採用三電極尖端跳火方式實現。再者，火花隙可設計於電子元件焊接位置周邊，或可在墊片周圍用三面圍繞方式提供多方向火花隙路徑。其中，火花隙的PCB佈線形狀可用尖端、或第4A圖所示之圓形、第4B圖所示之三角形、第4C圖所示之梯形或其組合。
    參照第4A、4B及4C圖，火花隙的第一端91和火花隙的第二端92可分別耦接至變壓器30和接地端，或者分別耦接至變壓器30的一次側或二次側的兩端。
    第5圖係根據本發明提出之另一實施例，暫態能量觸發電路132、128、126、122分別與火花隙134、130、124和120並聯在差動訊號導線60、62、64和66與接地端之間。
    請參考第6A圖，其係根據本發明之另一變化實施例，在變壓器30的一次側上亦可設置火花隙及暫態能量觸發電路並聯所組成的區域網路防護設計，例如火花隙150與暫態能量觸發電路152並聯於變壓器30的差動訊號導線75與接地端之間；火花隙156與暫態能量觸發電路154並聯於差動訊號導線76與接地端之間。當暫態能量由收發器20輸入，或因能量太大而由變壓器30的二次側傳遞到一次側時，即可藉由該些設置在一次側上的火花隙及暫態能量觸發電路形成消散路徑。
    此外，在差動訊號導線73和差動訊號導線74之間亦可設置火花隙178與暫態能量觸發電路176的並聯結構。
    在本實施例中，變壓器30的二次側亦設置有：火花隙158與暫態能量觸發電路160並聯於變壓器30的第一中心抽頭50與接地端之間；火花隙162與暫態能量觸發電路164並聯於變壓器30的差動訊號導線73與接地端之間；火花隙170與暫態能量觸發電路168並聯於差動訊號導線74與接地端之間。火花隙178與暫態能量觸發電路176並聯於差動訊號導線73與差動訊號導線74之間。
    請參考第6B圖，當網路受到雷擊時，暫態能量會由連接器40輸入，因此雷擊測試裝置200在此提供一暫態能量給連接器40，以模擬網路受到雷擊的狀態。此時，雷擊能量經由第三消散路徑P3，從雷擊測試裝置200、連接器40，再經由差動訊號導線73，引發火花隙162跳火而消散到接地端。
    請參考第6C圖，其繪示當網路受到雷擊時，暫態能量消散的另一路徑。當暫態能量由連接器40輸入時，可經由虛線所示之第四消散路徑P4消散，從雷擊測試裝置200、連接器40、差動訊號導線73，並經由火花隙178跳火導通，再透過連接器40導引到雷擊測試裝置200的接地端。
    本實施例，提供了多種路徑來消散暫態能量。實際上，暫態能量可能走的路徑，主要由暫態能量的強度決定。
    在前述之實施例中，皆以雙能量消散路徑為例說明，第7圖係之實施例則提供了三路的暫態能量消散路徑。在本實施例中，暫態能量觸發電路210、火花隙212與暫態能量觸發電路214並聯於變壓器30的第一中心抽頭50與接地端之間，同時亦並聯於第二中心抽頭52與接地端之間。換言之，當變壓器30具有多組線圈時，火花隙212、暫態能量觸發電路210與暫態能量觸發電路214可並聯在各個線圈組的中心抽頭與接地端之間。
    熟悉本發明所屬領域者應當明瞭，暫態能量的消散路徑的數量並非本發明之限制，可依據電子系統的實務上的考量來加以設計。例如增加並聯之數量，或將火花隙與暫態能量觸發電路之組合加以變化，以提供更多種暫態能量的消散路徑。
    根據本發明提出之網路通訊裝置，其提供一種新的網路防護電路板設計，係利用火花隙並聯暫態能量觸發電路方式來保護區域網路系統。於此，當暫態能量未達到可使火花隙跳火時，暫態能量仍可透過暫態能量觸發電路將能量消散，而不會因為沒有能量消散路徑而造成電子系統損毀。較佳者，以佈線之方式將前述之火花隙與暫態能量觸發電路設置於PCB上，達到降低成本之目的。
    雖然本發明之較佳實施例揭露如上所述，然其並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
    20．．．收發器
    30．．．變壓器
    40．．．連接器
    50．．．第一中心抽頭
    52．．．第二中心抽頭
    60．．．第一差動訊號導線
    62．．．第二差動訊號導線
    64．．．第三差動訊號導線
    66．．．第四差動訊號導線
    73．．．差動訊號導線
    74．．．差動訊號導線
    75．．．差動訊號導線
    76．．．差動訊號導線
    80．．．二極體
    82．．．基納二極體
    84．．．TVS二極體
    86．．．電阻
    88．．．電容
    91．．．火花隙第一端
    92．．．火花隙第二端
    100．．．火花隙
    102．．．暫態能量觸發電路
    104．．．暫態能量觸發電路
    106．．．火花隙
    120．．．火花隙
    122．．．暫態能量觸發電路
    124．．．火花隙
    126．．．暫態能量觸發電路
    128．．．暫態能量觸發電路
    130．．．火花隙
    132．．．暫態能量觸發電路
    134．．．火花隙
    150．．．火花隙
    152．．．暫態能量觸發電路
    154．．．暫態能量觸發電路
    156．．．火花隙
    158．．．火花隙
    160．．．暫態能量觸發電路
    162．．．火花隙
    164．．．暫態能量觸發電路
    168．．．暫態能量觸發電路
    170．．．火花隙
    172．．．暫態能量觸發電路
    174．．．火花隙
    176．．．暫態能量觸發電路
    178．．．火花隙
    200．．．雷擊測試裝置
    210．．．暫態能量觸發電路
    212．．．火花隙
    214．．．暫態能量觸發電路
    第1圖係為區域網路設計之結構示意圖；
    第2A圖係為本發明之網路通訊裝置第一實施例的示意圖；
    第2B圖係暫態能量造成之突波電壓之示意圖；
    第2C圖係暫態能量經由暫態能量觸發電路消散之示意圖；
    第2D圖係暫態能量經由火花隙放電之示意圖；
    第3A圖係為本發明之暫態能量觸發電路之第一實施例之示意圖；
    第3B圖係為本發明之暫態能量觸發電路之第二實施例之示意圖；
    第3C圖係為本發明之暫態能量觸發電路之第三實施例之示意圖；
    第4A圖係以PCB佈線實現火花隙之第一實施例之示意圖；
    第4B圖係以PCB佈線實現火花隙之第二實施例之示意圖；
    第4C圖係以PCB佈線實現火花隙之第三實施例之示意圖；
    第5圖係為本發明之網路通訊裝置第二實施例之示意圖；
    第6A圖係為本發明之網路通訊裝置第三實施例之示意圖；
    第6B圖係為本發明利用火花隙並聯暫態能量觸發電路之線對地雷擊測試之示意圖；
    第6C圖係為本發明利用火花隙並聯暫態能量觸發電路之線對線雷擊測試之示意圖；及
    第7圖係為本發明提出之網路通訊裝置第四實施例之示意圖。
    20．．．收發器
    30．．．變壓器
    40．．．連接器
    50．．．第一中心抽頭
    52．．．第二中心抽頭
    60．．．第一差動訊號導線
    62．．．第二差動訊號導線
    64．．．第三差動訊號導線
    66．．．第四差動訊號導線
    100．．．火花隙
    102．．．暫態能量觸發電路
    104．．．暫態能量觸發電路
    106．．．火花隙
    权利要求:
    Claims (28)
    [1] 一種具暫態能量防護能力的網路通訊裝置，包含：一變壓器，供耦接至一收發器；一連接器，耦接該變壓器；一暫態能量觸發電路，耦接在該變壓器及一接地端之間；及一火花隙，並聯該一暫態能量觸發電路；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到該接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    [2] 如請求項1所述之網路通訊裝置，其中該火花隙與該暫態能量觸發電路耦接至該變壓器之一次側、該一次側之一中心抽頭、該變壓器之二次側、該二次側之一中心抽頭、該變壓器與該收發器之間的至少一差動訊號導線、或該變壓器與該連接器之間的至少一差動訊號導線。
    [3] 如請求項1所述之網路通訊裝置，更包括：一第二暫態能量觸發電路；及一第二火花隙，與該第二暫態能量觸發電路並聯在該變壓器之一次側的二端之間，或並聯在該變壓器之二次側的二端之間。
    [4] 如請求項1所述之網路通訊裝置，更包括：一第二暫態能量觸發電路；及一第二火花隙；該第二火花隙與該第二暫態能量觸發電路並聯在該變壓器與該收發器之間的一第一差動訊號導線與該接地端之間，或並聯在該變壓器與該連接器之間的一第二差動訊號導線與該接地端之間。
    [5] 如請求項1所述之網路通訊裝置，其中該接地端係為一金屬外殼或一數位接地端。
    [6] 如請求項1所述之網路通訊裝置，其中該暫態能量觸發電路包括一二極體、一氣體放電管、一暫態電壓抑制二極體、一基納二極體或其組合。
    [7] 如請求項1所述之網路通訊裝置，其中該暫態能量觸發電路以及該火花隙係以佈線於印刷電路板上的方式實現。
    [8] 如請求項1所述之網路通訊裝置，其中該火花隙具有多方向火花隙路徑。
    [9] 如請求項1所述之網路通訊裝置，更包括一第二暫態能量觸發電路，並聯於該火花隙。
    [10] 一種應用於網路通訊裝置的印刷電路板，該網路通訊裝置包括一收發器以及一連接器，一變壓器耦接在該收發器及該連接器之間，該印刷電路板包括：一暫態能量觸發電路，供耦接到該變壓器及一接地端之間；及一火花隙，並聯該暫態能量觸發電路；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到該接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    [11] 如請求項10所述之印刷電路板，其中該暫態能量觸發電路以及該火花隙係以佈線於該印刷電路板上的方式實現。
    [12] 如請求項10所述之印刷電路板，其中該火花隙與該暫態能量觸發電路耦接至該變壓器之一次側、該一次側的一中心抽頭、該變壓器之二次側、或該二次側的一中心抽頭、該變壓器與該收發器之間的一差動訊號導線、或該變壓器與該連接器之間的一差動訊號導線。
    [13] 如請求項10所述之印刷電路板，更包括：一第二暫態能量觸發電路；及一第二火花隙；該第二火花隙與該第二暫態能量觸發電路並聯在該變壓器之一次側的二端之間或在該變壓器之二次側的二端之間。
    [14] 如請求項10所述之印刷電路板，更包括：一第二暫態能量觸發電路；及一第二火花隙；該第二火花隙與該第二暫態能量觸發電路並聯在該變壓器與該收發器之間的一第一差動訊號導線與該接地端之間，或並聯在該變壓器與該連接器之間的一第二差動訊號導線與該接地端之間。
    [15] 如請求項10所述之印刷電路板，其中該接地端係為一金屬外殼或一數位接地端。
    [16] 如請求項10所述之印刷電路板，其中該暫態能量觸發電路包括一二極體、一氣體放電管、一暫態電壓抑制二極體、一基納二極體或其組合。
    [17] 如請求項10所述之印刷電路板，其中該火花隙具有多方向火花隙路徑。
    [18] 如請求項10所述之印刷電路板，更包括一第二暫態能量觸發電路，並聯於該火花隙。
    [19] 一種具暫態能量防護能力的網路通訊裝置，包含：一變壓器，供耦接至一收發器；一連接器，耦接該變壓器；一暫態能量觸發電路；及一火花隙，與該暫態能量觸發電路並聯在該變壓器之一次側的二端之間或在該變壓器之二次側的二端之間；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到一接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    [20] 如請求項19所述之網路通訊裝置，其中該暫態能量觸發電路係為一二極體、一氣體放電管、一暫態電壓抑制二極體、一基納二極體或其組合。
    [21] 如請求項19所述之網路通訊裝置，其中該暫態能量觸發電路以及該火花隙係以佈線於該印刷電路板上的方式實現。
    [22] 如請求項19所述之網路通訊裝置，其中該火花隙具有多方向火花隙路徑。
    [23] 如請求項19所述之網路通訊裝置，更包括一第二暫態能量觸發電路，並聯於該火花隙。
    [24] 一種應用於網路通訊裝置的印刷電路板，該網路通訊裝置包括一收發器以及一連接器，一變壓器耦接在該收發器及該連接器之間，該印刷電路板包括：一暫態能量觸發電路；及一火花隙，與該暫態能量觸發電路並聯在該變壓器之一次側的二端之間或在該變壓器之二次側的二端之間；其中，在一第一狀態下，該暫態能量觸發電路將一第一暫態能量消散到一接地端，在一第二狀態下，該火花隙將一第二暫態能量消散到該接地端，且該第二暫態能量大於該第一暫態能量。
    [25] 如請求項24所述之印刷電路板，其中該暫態能量觸發電路係為一二極體、一氣體放電管、一暫態電壓抑制二極體、一基納二極體或其組合。
    [26] 如請求項24所述之印刷電路板，其中該暫態能量觸發電路以及該火花隙係以佈線於該印刷電路板上的方式實現。
    [27] 如請求項24所述之印刷電路板，其中該火花隙具有多方向火花隙路徑。
    [28] 如請求項24所述之印刷電路板，更包括一第二暫態能量觸發電路並聯於該火花隙。
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