ディスクリートか統合か：ギガビットEthernetのフロントエンド保護の選択肢を探る

ギガビットEthernet（GbE）は、比較的堅牢な高速通信システムで、家庭、商業、工業施設などで広く利用されています。しかし、予期せぬ高レベルの過渡電圧がコネクタに印加されると、その堅牢性が損なわれます。このような過渡現象は、落雷や静電気放電（ESD）によって引き起こされる可能性があります。保護がなければ、電圧スパイクはコネクタを通して伝わり、GbE物理層（PHY）のデバイスをすぐに破壊してしまいます。

GbEフロントエンドの設計に高度な保護が要求されるのは当然のことです。このような保護は、通常、絶縁トランスを使用して行います。GbE仕様（IEEE 802.3）では、GbEフロントエンドの最小絶縁定格を2.1キロボルト（kV）と定義していますが、ほとんどの市販のトランスの絶縁定格は4～8kVです。GbEインターフェイスの保護には、コモンモードチョーク（CMC）が追加されます。CMCは、高周波交流（AC）を遮断し、ESDスパイクによる悪影響を軽減するために使用されるインダクタです。

「ボブ・スミス」終端は、さらなる保護を加えることができます。この設計は、ロバート・W・スミスが1993年に出願した特許の名前に由来しています。この特許は、「ケーブルから放射されるエミッションと外部干渉に対するケーブルの感受性を最小にするためのケーブル終端装置」を対象としています。GbEアプリケーションでは、ボブ・スミス終端は一般的に75オーム（Ω）抵抗を使用してコモンモードインピーダンスの整合をとり、コンデンサを介してグランドに接続された信号ペアのコモンモードエミッションを低減するのに役立ちます（図1）。

図1 : ギガビットEthernetシステムの各チャネルのフロントエンド電圧スパイクおよびESD保護は、通常、絶縁トランス、CMC、およびボブ・スミス終端で構成されます。（画像提供：Würth Elektronik）

ディスクリートおよび統合GbE保護の比較

設計者として、GbE保護の実装には3つの標準オプションがあります。オプション1は、自分でトランス、CMC、ボブ・スミス終端、その他のアース部品を選び、プリント基板の回路設計を行うことです。その利点は、ハイエンドの部品を選ぶことでプロテクションのレベルを最大限に高めることができること、他のオプションに比べて部品のコストをある程度抑えることができること、そしてオリジナルのデザインを作り上げる満足感を味わえることです。欠点は、設計プロセスが厄介で時間がかかりそうなことと、個々の部品が統合されたソリューションよりもスペースを取ることです。

オプション2は、トランスとCMCを1つの部品に統合したモジュールを選択することです。モジュールは、複数のチャンネルに対応するために、複数のトランスとCMCを1つの部品に統合することができます。ボブ・スミスの終端処理と他のアース部品を含める必要があるかもしれませんが、この利点はスペースの節約および設計サイクルの容易さにあります。

Würth Elektronik は、 WE-LAN ラインでこのようなモジュールを幅広く提供しています。749020310 WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T面実装デバイス（SMD）をご検討ください。この部品は4つのチャンネルを保護し、350マイクロヘンリー（µH）のインダクタンス、-30デシベル（dB）の60～100メガヘルツ（MHz）の周波数範囲にわたる差動同相信号除去比（CMRR）、1分間の1500ボルト（RMS）の絶縁試験合格電圧を持っています。

オプション3は、トランスおよびCMCが統合されたRJ45コネクタを選択することです。これは最も小型な設計です。そのトレードオフは、GbEフロントエンド部品の柔軟性の不足です。このようなRJ45コネクタの例として、Würth Elektronikの 7499611420 WE-RJ45LAN トランス10/100/1000/10G Base-Tがあり、トランス、CMC、さらには75Ω終端抵抗を含む4つの保護チャンネルを統合しています。このコネクタは、120µHのインダクタンス、1～100MHzの周波数範囲にわたる-28dBの差動CMRR、1分間1500ボルト（RMS）の絶縁試験合格電圧を特徴としています（図2）。

図2：Würth Elektronikの7499611420は、4チャンネルの絶縁トランス、CMC、終端抵抗保護を統合しています。（画像提供：Würth Elektronik）

保護機能内蔵のRJ45コネクタを使用することによるスペースの節約効果は素晴らしく、スペースに制約のあるアプリケーションに有用な部品となっています（図3）。

図3：GbE保護をRJ45コネクタに統合（b）することで、個別の部品（a）と比較して、保護モジュールが不要になり、プリント基板のスペースを節約できます。（画像提供：Würth Elektronik）

電磁両立性（EMC)試験

RJ45コネクタに回路をきっちり詰め込むと、回路による保護が損なわれるのではないかと思うかもしれません。その答えは、Würth Elektronikが図3（a）および（b）に示すリファレンス設計をテストした広範なアプリケーションノート（ANP116）、「Gigabit Ethernet interface from an EMC perspective（EMCの観点から見たギガビットEthernetインターフェース）」に記載されています。

重要なポイントの1つは、EthernetケーブルがGbEシステムの電磁両立性（EMC）に与える影響です。ケーブルの種類はEMCの振る舞いに大きな影響を与えないことが判明していますが、シールドされていないケーブルは（おそらく驚くことではありませんが）シールド設計よりも高い干渉エミッションを示し、イミュニティレベルが低下します（最大20dB低下）。

ケーブルについてはこれくらいにして、フロントエンドのアセンブリはどうなのでしょうか。Würth Elektronikは、アプリケーションノートの中で、2つのリファレンス設計は、主に高電圧の「バースト」レベルに対する耐性に関して、電磁両立性（EMC）動作が異なると結論づけています。

これらのバーストは、誘導回路のスイッチングがスパークを引き起こすときに発生します。バースト干渉はEthernetの導体構造に強く結びついています。バーストレベルの高いEMC環境において、より高い性能が要求される場合は、ディスクリート（モジュール）Ethernetインターフェース設計を推奨します。

このバースト時のEMCの違いを除けば、2つのタイプのEMCに関する振る舞いは同等であり、どちらの設計も、1ギガヘルツ（GHz）の周波数範囲にわたって、住宅用機器に対する米国連邦通信委員会（FCC）のクラスB認証基準を少なくとも10dB上回っています（図4）。

図4：ディスクリート（モジュール）と一体型（RJ45コネクタ）のEMC性能（放射推定エミッション）および住宅用機器のFCCクラスB認証制限との比較。（画像提供：Würth Elektronik）

図4は、アンテナ偏波が水平時のシールドなしケーブルの最悪の状態の場合です。シールドされたケーブルは、さらにエミッションを低減します。

設計キットを使ったトランスオプションの実験

GbEの設置には回路保護が必須であるため、部品は長年にわたって改良され、回路設計は成熟しています。その結果、リファレンス設計とディスクリート部品によって、設計者は独自の実装を構築できますが、多くの市販オプションは統合型ソリューションを提供します。

Würth Elektronikでは、便利な設計キット 749945を提供しています。このキットには、いろいろ試せるWE-RJ45 LANトランスの例がたくさん含まれています。

まとめ

GbE回路保護の一般的なオプションとしては、保護回路を統合し、RJ45 コネクタおよびGbE PHY の間に配置するモジュールや、保護回路を筐体内に実装することでモジュールを省くRJ45コネクタがあります。この選択は、スペースおよびフロントエンド設計の柔軟性のトレードオフに行き着きますが、どちらも認証限度内で十分な保護を提供します。