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A p p l i c a t i o n R e p o r t S L V A 2 3 3 A A p r i l 2 0 0 6 R e v i s e d A u g u s t 2 0 0 6

E l e c t r i c a l T r a n s i e n t I m m u n i t y f o r P o w e r - O v e r - E t h e r n e t J e a n P i c a r d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S y s t e m s P o w e r

A B S T R A C T

E l e c t r i c a l o v e r s t r e s s e s c a n c a u s e f a i l u r e , p e r m a n e n t d e g r a d a t i o n , o r t e m p o r a r y e r r a t i c b e h a v i o r o f e l e c t r o n i c d e v i c e s o r s y s t e m s . T h e t r e n d t o r e d u c e c i r c u i t g e o m e t r i e s f o r c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d a p p l i c a t i o n s r e s u l t s i n a n i n c r e a s i n g s e n s i t i v i t y t o s u c h e l e c t r i c a l t r a n s i e n t s . T h e s u p p r e s s i o n o f t h e s e t r a n s i e n t s c a n b e a c h a l l e n g e t o d e s i g n e r s b e c a u s e t h e o r i g i n a n d s e v e r i t y o f t h e o v e r v o l t a g e m a y b e u n k n o w n .

T o a s s i s t d e s i g n e r s i n c o p i n g w i t h t h e s e i s s u e s , t h i s a p p l i c a t i o n r e p o r t d e f i n e s s i m p l ed e s i g n r u l e s t h a t c a n a d e q u a t e l y p r o t e c t t h e s e n s i t i v e e l e c t r o n i c p a r t s o f t h e s y s t e m w i t h c o s t - e f f e c t i v e s o l u t i o n s .

C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 E S D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 E F T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 E l e c t r i c a l S u r g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 T r a n s i e n t s P r o t e c t i o n C i r c u i t G u i d e l i n e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 C i r c u i t P r o t e c t i o n S o l u t i o n s f o r P o E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 R e f e r e n c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

L i s t o f F i g u r e s

1 T y p i c a l P o E A p p l i c a t i o n D i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 T y p i c a l W a v e f o r m o f O u t p u t C u r r e n t o f E S D G e n e r a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 V o l t a g e o f E F T I n t o 5 0 - L o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 G e n e r a l G r a p h o f E F T ( F a s t T r a n s i e n t / B u r s t ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 E F T T e s t S e t u p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 T y p i c a l W a v e f o r m o f O p e n - C i r c u i t V o l t a g e o f S u r g e G e n e r a t o r W h e n S e t t o 1 - k V P e a k 7

7 T y p i c a l W a v e f o r m o f S h o r t - C i r c u i t C u r r e n t o f S u r g e G e n e r a t o r W h e n S e t t o 1 - k V P e a k w i t h 2 - S o u r c e I m p e d a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

8 I n t e r c o n n e c t i o n o f T r a n s i e n t V o l t a g e S u p p r e s s o r o n P r i n t e d - C i r c u i t B o a r d . . . . . . . . . . . . . . . . 99 E f f e c t o f E S D / E F T o n P S E P o w e r S w i t c h W h e n T h e r e i s n o P r o t e c t i o n C i r c u i t r y . . . . . . . 1 01 0 B a s i c C i r c u i t W i t h T r a n s i e n t P r o t e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 11 1 C u r r e n t P a t h i n P o s i t i v e P o l a r i t y E S D / E F T E v e n t C o m m o n M o d e : L i n e - t o - G N D . . . . . . . . 1 41 2 C u r r e n t P a t h i n N e g a t i v e P o l a r i t y E S D / E F T E v e n t C o m m o n M o d e : L i n e - t o - G N D . . . . . . . 1 41 3 C u r r e n t P a t h i n P o s i t i v e P o l a r i t y S u r g e E v e n t C o m m o n M o d e : L i n e - t o - G N D

. . . . . . . . . . . . .1 5

1 4 C u r r e n t P a t h i n N e g a t i v e P o l a r i t y S u r g e E v e n t C o m m o n M o d e : L i n e - t o - G N D . . . . . . . . . . . 1 51 5 N e g a t i v e E F T S i m u l a t i o n o n N T e r m i n a l W i t h 5 6 V P o w e r S u p p l y O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 51 6 N e g a t i v e E F T S i m u l a t i o n o n N T e r m i n a l W i t h 5 6 V P o w e r S u p p l y O F F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 61 7 N e g a t i v e E F T S i m u l a t i o n o n N T e r m i n a l W i t h 5 6 V P o w e r S u p p l y O F F a n d W i t h 3 V

I n i t i a l l y o n C 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 61 8 N e g a t i v e S u r g e S i m u l a t i o n o n N T e r m i n a l W i t h 5 6 V P o w e r S u p p l y O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 71 9 L a y o u t f o r a D u a l P o r t P S E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 82 0 I n t e r c o n n e c t i o n t o C l a m p i n g D e v i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 82 1 L a y o u t f o r a Q u a d P o r t P S E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

S L V A 2 3 3 A A p r i l 2 0 0 6 R e v i s e d A u g u s t 2 0 0 6 E l e c t r i c a l T r a n s i e n t I m m u n i t y f o r P o w e r - O v e r - E t h e r n e t 1

S u b m i t D o c u m e n t a t i o n F e e d b a c k
http://www.go-dsp.com/forms/techdoc/doc_feedback.htm?litnum=SLVA233A

7/29/2019 slva233a

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www.ti.com

1 I n t r o d u c t i o n

Rx

TxRx

Tx

SignalPair

SignalPair

SparePair

SparePair

P

N

+48 V

Return

Optional

MSP430Micro-

ControllerRet

SCLSDA-ISDA-O

VEE

ILIMCLASS

DET

VDD

DC/DCConverter

PG

+48 V

4

5

4

5

3

6

3

6

1

2

1

2

7

8

7

8

PSE PD

TPS2384

(1/4)

Upto100mofCAT 5

RJ45 RJ45

TPS2375

I n t r o d u c t i o n

L i s t o f T a b l e s

1 I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 T e s t L e v e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 W a v e f o r m P a r a m e t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4 S e v e r i t y T e s t L e v e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 S e v e r i t y L e v e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

E l e c t r i c a l o v e r s t r e s s e s c a n c a u s e f a i l u r e , p e r m a n e n t d e g r a d a t i o n , o r t e m p o r a r y e r r a t i c b e h a v i o r o f e l e c t r o n i c d e v i c e s o r s y s t e m s . T h e t r e n d t o r e d u c e c i r c u i t g e o m e t r i e s f o r c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d a p p l i c a t i o n s r e s u l t s i n a n i n c r e a s i n g s e n s i t i v i t y t o s u c h e l e c t r i c a l t r a n s i e n t s . T h e s u p p r e s s i o n o f t h e s e t r a n s i e n t s c a n b e a c h a l l e n g e t o d e s i g n e r s b e c a u s e t h e o r i g i n a n d s e v e r i t y o f t h e o v e r v o l t a g e m a y b e u n k n o w n .

W h e n d e s i g n i n g a n e l e c t r o n i c c i r c u i t o r w h e n d e f i n i n g a c o m p l e t e s y s t e m , i t i s i m p o r t a n t t o i d e n t i f y t h e s o u r c e s o f t h o s e s t r e s s e s a n d h a v e a c o r r e c t u n d e r s t a n d i n g o f t h e i r m e c h a n i s m , f o r a d e f i n e d e n v i r o n m e n t i n w h i c h t h e s y s t e m w i l l o p e r a t e . I n s o d o i n g , i t i s p o s s i b l e t o d e f i n e s i m p l e d e s i g n r u l e s t h a t c a n a d e q u a t e l y p r o t e c t t h e s e n s i t i v e e l e c t r o n i c p a r t s o f t h e s y s t e m w i t h c o s t - e f f e c t i v e s o l u t i o n s

T h i s a p p l i c a t i o n r e p o r t d i s c u s s e s t h e E t h e r n e t n e t w o r k a p p l i c a t i o n , s p e c i f i c a l l y P o w e r - o v e r - E t h e r n e t ( P o E ) e q u i p m e n t w h i c h p r o v i d e s p o w e r t o E t h e r n e t r e m o t e e q u i p m e n t o r p o w e r e d d e v i c e ( P D ) t h r o u g h t h e d a t a c a b l e ( s e e F i g u r e 1 ) .

F i g u r e 1 . T y p i c a l P o E A p p l i c a t i o n D i a g r a m

I n a P o E a p p l i c a t i o n , t h e e n v i r o n m e n t c a n r a n g e f r o m o f f i c e s t o i n d u s t r i a l n e t w o r k s . I n s t a l l a t i o n s o f E t h e r n e t c a b l e s a n d / o r e q u i p m e n t a r e l o c a t e d m o s t l y i n d o o r s , b u t i n s o m e a p p l i c a t i o n s p a r t o f t h e i n s t a l l a t i o n c a n b e o u t d o o r s .

M a n y s t a n d a r d s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o s i m u l a t e o r r e p r e s e n t t h e t r a n s i e n t o v e r v o l t a g e e n v i r o n m e n t i n v a r i o u s a p p l i c a t i o n s , i n c l u d i n g t e l e c o m a n d i n d u s t r i a l . F o r e x a m p l e , p e r I E C t r a n s i e n t i m m u n i t y s t a n d a r d s , t h e t r a n s i e n t s c a n b e c l a s s i f i e d i n t o t h r e e c a t e g o r i e s :

I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 : E l e c t r o s t a t i c D i s c h a r g e ( E S D )

I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4 : E l e c t r i c a l F a s t T r a n s i e n t / B u r s t ( E F T )

I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 : S u r g e s

T h e s e I E C s t a n d a r d s a l s o d e f i n e i m m u n i t y t e s t m e t h o d s a p p l i c a b l e t o e a c h t r a n s i e n t c a t e g o r y . T h e y p r o v i d e t o m a n u f a c t u r e r s o f t r a n s i e n t s u p p r e s s i o n c o m p o n e n t s s o m e s t a n d a r d i z e d w a v e f o r m s a n d o v e r v o l t a g e l e v e l s t o w h i c h t h e i r c o m p o n e n t s c a n b e c h a r a c t e r i z e d a n d s p e c i f i e d .

E l e c t r i c a l T r a n s i e n t I m m u n i t y f o r P o w e r - O v e r - E t h e r n e t 2 S L V A 2 3 3 A A p r i l 2 0 0 6 R e v i s e d A u g u s t 2 0 0 6


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3/20

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2 E S D

E S D

E S D ( e l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e ) r e s u l t s f r o m c o n d i t i o n s w h i c h a l l o w t h e b u i l d u p o f e l e c t r i c a l c h a r g e f r o m c o n t a c t a n d s e p a r a t i o n o f t w o n o n c o n d u c t i v e m a t e r i a l s , f o l l o w e d b y t h e r e l e a s e o f t h e c o r r e s p o n d i n g e n e r g y w h e n t h e c h a r g e d b o d y i s b r o u g h t i n t o p r o x i m i t y t o a n o t h e r o b j e c t o f l o w e r p o t e n t i a l . F o r e x a m p l e , a p e r s o n w a l k i n g a c r o s s a c a r p e t c a n c h a r g e t o o v e r 1 5 k V .

E S D i s f i r s t o f a l l a c o m m o n - m o d e e l e c t r i c a l e v e n t ; n o r m a l l y , E S D i s a d i s c h a r g e f r o m o n e u n i t t o t h e c h a s s i s g r o u n d . O n e i m p o r t a n t d e s i g n g u i d e l i n e i s t o c l e a r l y i d e n t i f y t h e p a t h t h a t i s t a k e n b y t h e c u r r e n t a n d t o e n s u r e t h a t t h i s i s n o t h a r m f u l t o s e n s i t i v e c i r c u i t r y . I t i s e v e n b e t t e r t o p r o v i d e a n a l t e r n a t e p a t h f o r t h e d i s c h a r g e c u r r e n t t o b y p a s s t h i s s e n s i t i v e c i r c u i t r y .

T h e I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 s t a n d a r d s i m u l a t e s a n E S D e v e n t o f a h u m a n h o l d i n g a m e t a l i m p l e m e n t , r e f e r r e d t o a s t h e H u m a n / M e t a l M o d e l . D i s c h a r g e i n t o e q u i p m e n t c a n b e t h r o u g h d i r e c t c o n t a c t ( c o n t a c t d i s c h a r g e ) o r t h r o u g h p r o x i m i t y ( a i r d i s c h a r g e ) .

T h e t e s t l e v e l s o f t h i s m o d e l a r e l i s t e d i n T a b l e 1 . A d i a g r a m s h o w i n g t h e E S D w a v e f o r m i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 . T h e w a v e f o r m p a r a m e t e r s o f t h e E S D g e n e r a t o r i n c o n t a c t m o d e a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 2 . T h e r i s e t i m e c a n b e e x p e c t e d t o b e l e s s t h a n 1 n s , w h i c h i s e x t r e m e l y f a s t . T h e t o t a l d u r a t i o n o f t h e c u r r e n t p u l s e i s a r o u n d 1 5 0 n s .

T a b l e 1 . I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 T e s t L e v e l s

C O N T A C T D I S C H A R G E A I R D I S C H A R G E

L E V E L T E S T V O L T A G E L E V E L T E S T V O L T A G E ( k V ) ( k V )

1 2 1 2

2 4 2 4

3 6 3 8

4 8 4 1 5

T a b l e 2 . I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 W a v e f o r m P a r a m e t e r s

L E V E L I N D I C A T E D F I R S T P E A K C U R R E N T R I S E T I M E t r W I T H C U R R E N T A T C U R R E N T A T V O L T A G E O F D I S C H A R G E D I S C H A R G E S W I T C H 3 0 n s 6 0 n s

( k V ) ( A ) ( n s ) ( A ) ( A )

1 2 7 . 5 0 . 7 t o 1 4 2

2 4 1 5 0 . 7 t o 1 8 4

3 6 2 2 . 5 0 . 7 t o 1 1 2 6

4 8 3 0 0 . 7 t o 1 1 6 8



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4/20

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I

t

100%

90%

0.7to

1nsec

Iat30nsec

Iat60nsec

60nsec

30nsec

10%

3 E F T

E F T

F i g u r e 2 . T y p i c a l W a v e f o r m o f O u t p u t C u r r e n t o f E S D G e n e r a t o r

A n o t h e r t h r e a t i s i d e n t i f i e d a s a c a b l e d i s c h a r g e e v e n t ( C D E ) . F o r e x a m p l e , t h i s o c c u r s w h e n a n E t h e r n e t c a b l e b e c o m e s c h a r g e d a n d t h e n i s d i s c h a r g e d i n t o a c i r c u i t w h e n t h e c a b l e i s c o n n e c t e d t o i t . T h e c a b l e c o u l d b e c h a r g e d p r i m a r i l y d u e t o t r i b o c h a r g i n g ( e . g . , b y d r a g g i n g i t o n t h e c a r p e t ) o r i n d u c t i o n ( e . g . , f r o m a c h a r g e d p e r s o n h o l d i n g i t ) .

A s t a n d a r d t o d e f i n e a c a b l e d i s c h a r g e e v e n t w i t h t e s t m e t h o d h a s y e t t o b e e s t a b l i s h e d , b u t m o s t m a n u f a c t u r e r s u s e i n t e r n a l C D E t e s t s e t u p s t o e v a l u a t e t h e i r d e s i g n s ; a f e w d e e m i t s u f f i c i e n t t o t e s t t o t h e I E C L e v e l - 4 s p e c i f i c a t i o n s t o p r o t e c t a g a i n s t s u c h d i s c h a r g e s .

N o t e : T h e i d e a o f t h e e q u i p m e n t b e i n g a b l e t o w i t h s t a n d C D E i f i t p a s s e s I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2

L e v e l - 4 d i s c h a r g e s i s n o t a l w a y s c o r r e c t . T h i s i s b e c a u s e t h e c h a r g e d c a p a c i t a n c e s i n t h e

t w o t e s t s a r e d i f f e r e n t , w h i c h i s 1 5 0 p F f o r I E C E S D v e r s u s m u c h l a r g e r c a p a c i t a n c e

d e p e n d i n g o n t h e l e n g t h o f t h e c a b l e i n v o l v e d f o r C D E a n d t h e c a b l e e l e v a t i o n o v e r t h e e a r t h G N D . T h e r e i s a l s o a t r a n s m i s s i o n l i n e e f f e c t w i t h s o m e d i s t r i b u t e d c a p a c i t a n c e a s

o p p o s e d t o a l u m p e d c a p a c i t a n c e . C D E d i s c h a r g e s t y p i c a l l y d u m p m o r e e n e r g y t h a n I E C

L e v e l - 4 d i s c h a r g e s i n t o t h e e q u i p m e n t u n d e r t e s t .

E F T ( e l e c t r i c a l f a s t t r a n s i e n t ) o c c u r s a s a r e s u l t o f a r c i n g c o n t a c t s i n s w i t c h e s a n d r e l a y s , w i t h m o t o r s a n d o t h e r i n d u c t i v e l o a d s , w h i c h i s c o m m o n i n i n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t s . T h i s t y p e o f t r a n s i e n t i s n o r m a l l y o f c o m m o n - m o d e t y p e a n d i s i n t r o d u c e d o n t e l e c o m m u n i c a t i o n c a b l e s b y c a p a c i t i v e c o u p l i n g .

I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4 d e f i n e s t h i s t r a n s i e n t a s a b u r s t o f f a s t a n d h i g h - v o l t a g e s p i k e s a t a r e p e t i t i o n r a t e o f 5 k H z o r 1 0 0 k H z . A d i a g r a m s h o w i n g t h e E F T w a v e f o r m , t h e E F T b u r s t r e p e t i t i o n r a t e , a n d b u r s t p e r i o d i s

p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 a n d F i g u r e 4 . A l s o , t h e v o l t a g e a n d c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e E F T b u r s t g e n e r a t o r a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 3 . S h o r t - c i r c u i t c u r r e n t v a l u e s a r e e s t i m a t e d b y d i v i d i n g t h e o p e n - c i r c u i t v o l t a g e b y t h e 5 0 - s o u r c e i m p e d a n c e .



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www.ti.com

VEFT(t) + A Vp 1* exp*tt1 exp*tt2with:

A + 1.270 t1 + 3.5 ns t2 + 55.6 ns ( 1 )

50nsecDuration

Volt

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

EFTWaveform

t- Time-nsec

V t10%( )

volt

V t 90%( )

volt

5nsecRise Time

E F T

T a b l e 3 . I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4 S e v e r i t y T e s t L e v e l s

O p e n - C i r c u i t O u t p u t T e s t V o l t a g e , S h o r t - C i r c u i t C u r r e n t , a n d R e p e t i t i o n R a t e o f t h e I m p u l s e s

L E V E L P O W E R - S U P P L Y P O R T I / O S I G N A L , D A T A , A N D C O N T R O L P O R T S

O P E N - C I R C U I T S H O R T - C I R C U I T O P E N - C I R C U I T S H O R T - C I R C U I T R E P E T I T I O N R A T E V O L T A G E P E A K C U R R E N T P E A K V O L T A G E P E A K C U R R E N T P E A K ( k H z )

( k V ) ( A ) ( k V ) ( A )

1 0 . 5 1 0 0 . 2 5 5 5 o r 1 0 0

2 1 2 0 0 . 5 1 0 5 o r 1 0 0

3 2 4 0 1 2 0 5 o r 1 0 0

4 4 8 0 2 4 0 5 o r 1 0 0

I t i s w o r t h n o t i n g t h a t e v e n t h o u g h i t i s a p o w e r s i g n a l t h a t i s t r a n s m i t t e d o n t h e P o E c a b l e , t h i s t r a n s m i s s i o n i s s t i l l o n a c o m m u n i c a t i o n d a t a c a b l e , w h i c h m e a n s t h a t i t i s c o n s i d e r e d a s s u c h w h e n i n s t a l l e d a n d u s e d . C o n s e q u e n t l y , i t b e l o n g s t o t h e I / O s i g n a l , d a t a , a n d c o n t r o l p o r t s c a t e g o r y .

T h e f o l l o w i n g e q u a t i o n g i v e s a g o o d a p p r o x i m a t i o n o f t h e E F T v o l t a g e w a v e f o r m :

F i g u r e 3 . V o l t a g e o f E F T I n t o 5 0 - L o a d



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Burst

PulseV

V

t

t15msec

0.75msecif

at100kHz

BurstPeriod300msec

Burst

Duration

EFT

Generator

EUT

POE

Cable

GNDReference

Plane

E F T

F i g u r e 4 . G e n e r a l G r a p h o f E F T ( F a s t T r a n s i e n t / B u r s t )

P e r I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4 , a c a p a c i t i v e c o u p l i n g c l a m p o v e r t h e c o m m u n i c a t i o n c a b l e i s t h e p r e f e r r e d m e t h o d f o r c o u p l i n g t h e t e s t v o l t a g e i n c o m m u n i c a t i o n p o r t s , a n d t h i s i n c l u d e s a n E t h e r n e t c a b l e . T h i s m e a n s t h a t t h e c o u p l i n g i s d o n e w i t h o u t a n y g a l v a n i c c o n n e c t i o n t o t h e p o r t .

F i g u r e 5 . E F T T e s t S e t u p

A n o t h e r a c c e p t a b l e m e a n s i s d i r e c t l y t h r o u g h a 1 0 0 - p F d i s c r e t e c a p a c i t o r .

I t i s w o r t h n o t i n g t h a t b e c a u s e o f t h e i r r e p e t i t i v e n a t u r e , E F T e v e n t s c a n a l s o r e s u l t i n e r r a t i c b e h a v i o r o f a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m .



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4 E l e c t r i c a l S u r g e

Isurge

(t)+

Ai

Ip

t3

exp

*tt

with:

t + 3.911 ms Ai + 0.01243ms3 ( 2 )

0 10 20 30 40 50 60 70 800

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

SURGEVOLTAGEWAVEFORM

t-Time- smT1

T

V t30%

volt

V t90%

volt

T2

T =1.207 s,

1.666T =1.202 s,

T =49.972 s

1

2

m

m

m

0 5 15 20 2 5 30 35 4 0 45 50

0

50

100

150

200

250

300

350400

450

500

550

600

SURGECURRENTWAVEFORM

T1

Tt-Time- secm

Amps

T2

I t 10%

amp

I t 90%

amp

10

T =8.039 sec,

1.25T =8.028 sec,

T =19.934 sec

1

2

m

m

m

E l e c t r i c a l S u r g e

T h e s e t r a n s i e n t s a r e t h e m o s t s e v e r e o f a l l , i n t e r m s o f p e a k c u r r e n t a n d d u r a t i o n , a l t h o u g h t h e y a r e t h e l e a s t s e v e r e i n t e r m s o f r a t e o f r i s e . T h e y a r e c a u s e d b y l i g h t n i n g s t r i k e s ( d i r e c t s t r i k e o r i n d u c e d v o l t a g e s a n d c u r r e n t s d u e t o a n i n d i r e c t s t r i k e ) a n d s w i t c h i n g o n p o w e r s y s t e m s ( a l s o i n c l u d e s l o a d c h a n g e s a n d s h o r t c i r c u i t ) . T h e d e g r e e o f s e v e r i t y o f t h e t r a n s i e n t c a n c h a n g e d e p e n d i n g o n i f t h e c a b l e i n s t a l l a t i o n i s i n s i d e o r o u t s i d e t h e b u i l d i n g .

T h i s t y p e o f t r a n s i e n t i s e i t h e r o f c o m m o n - m o d e t y p e o r d i f f e r e n t i a l - m o d e t y p e . I t i s i n t r o d u c e d o n t e l e c o m m u n i c a t i o n c a b l e s b y c a p a c i t i v e o r m a g n e t i c c o u p l i n g . R e m e m b e r t h a t i n P o E a p p l i c a t i o n s , t h e D C p o w e r i s t r a n s m i t t e d b y u s i n g b o t h w i r e s o f e a c h t r a n s m i t a n d r e c e i v e p a i r w h i c h m e a n s , f o r e x a m p l e , t h a t t h e p o s i t i v e P - s i d e o f D C v o l t a g e c o u l d b e o n t h e T X p a i r w h i l e t h e r e t u r n N - s i d e w o u l d b e o n t h e R X p a i r . O n a t w i s t e d - p a i r s c a b l e , t h e t w o w i r e s o f e a c h p a i r a r e t w i s t e d t o g e t h e r , b u t t h e r e i s n o t w i s t i n g b e t w e e n p a i r s a t a l l ( i n f a c t , e a c h p a i r i s w e l l s e p a r a t e d f r o m i t s n e i g h b o r s ) . C o n s e q u e n t l y , a d i f f e r e n t i a l - m o d e t r a n s i e n t b e t w e e n P a n d N i s l i k e l y w i t h t h a t t y p e o f c a b l e , a n d t h i s t a n d e m o f p a i r s c a n b e c o n s i d e r e d a s a n u n b a l a n c e d l i n e a s f a r a s t h e t e s t v o l t a g e s a r e c o n c e r n e d .

I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 d e f i n e s t h i s t r a n s i e n t a s t w o s u r g e w a v e f o r m s : t h e 1 . 2 5 0 - s o p e n - c i r c u i t v o l t a g e w a v e f o r m a n d t h e 8 2 0 - s s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t w a v e f o r m . S e e F i g u r e 6 , F i g u r e 7 , a n d T a b l e 4 .

T h e f o l l o w i n g e q u a t i o n g i v e s a g o o d a p p r o x i m a t i o n o f t h e s u r g e s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t w a v e f o r m :

F i g u r e 6 . T y p i c a l W a v e f o r m o f O p e n - C i r c u i t V o l t a g e o f S u r g e G e n e r a t o r W h e n S e t t o 1 - k V P e a k

F i g u r e 7 . T y p i c a l W a v e f o r m o f S h o r t - C i r c u i t C u r r e n t o f S u r g e G e n e r a t o r W h e n S e t t o 1 - k V P e a k w i t h 2 - S o u r c e I m p e d a n c e



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5 T r a n s i e n t s P r o t e c t i o n C i r c u i t G u i d e l i n e s

T r a n s i e n t s P r o t e c t i o n C i r c u i t G u i d e l i n e s

T a b l e 4 . I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 S e v e r i t y L e v e l s

T E S T L E V E L S

I N S T A L L P O W E R - S U P P L Y U N B A L A N C E D B A L A N C E D S H O R T D I S T A N C E C L A S S O P E R A T E D O P E R A T E D D A T A B U S

C I R C U I T S / L I N E S , L O N G C I R C U I T S / L I N E S ( L e s s T h a n 3 0 m )

D I S T A N C E B U S

C O U P L I N G M O D E C O U P L I N G M O D E C O U P L I N G M O D E

L i n e t o L i n e L 8 i n e t o L i n e t o L i n e L i n e t o L i n e t o L i n e t o L i n e t o L i n e t o Z s = 2 G N D Z s = 4 2 G N D L i n e G N D L i n e G N D

Z s = 1 2 Z s = 4 2 Z s = 4 2 Z s = 4 2 Z s = 4 2 Z s = 4 2

1 V o l t a g e N / A 0 . 5 k V N / A 0 . 5 k V N / A 0 . 5 k V N / A N / A

C u r r e n t 4 2 A 1 2 A 1 2 A

2 V o l t a g e 0 . 5 k V 1 . 0 k V 0 . 5 k V 1 . 0 k V N / A 1 . 0 k V N / A 0 . 5 k V

C u r r e n t 2 5 0 A 8 3 A 1 2 A 2 4 A 2 4 A 1 2 A

3 V o l t a g e 1 . 0 k V 2 . 0 k V 1 . 0 k V 2 . 0 k V N / A 2 . 0 k V N / A N / A

C u r r e n t 5 0 0 A 1 6 7 A 2 4 A 4 8 A 4 8 A

4 V o l t a g e 2 . 0 k V 4 . 0 k V 2 . 0 k V 4 . 0 k V N / A 2 . 0 k V N / A N / A

C u r r e n t 1 k A 3 3 3 A 4 8 A 9 5 A 4 8 A

5 V o l t a g e D e p e n d s o n c l a s s o f l o c a l 2 . 0 k V 4 . 0 k V N / A 4 . 0 k V N / A N / A p o w e r s u p p l y s y s t e m

C u r r e n t 4 8 A 9 5 A 9 5 A

I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 c l a s s e s 3 t o 5 a r e a p p l i c a b l e t o o u t d o o r a p p l i c a t i o n s a n d h i g h e r t h r e a t - l e v e l c o n d i t i o n s . I n t h e m a j o r i t y o f P o E a p p l i c a t i o n s , o n l y i n d o o r c a b l e i n s t a l l a t i o n ( o f f i c e e n v i r o n m e n t ) i s c o n s i d e r e d . A l s o , t h e I E E E 8 0 2 . 3 r e q u i r e s t h e n e t w o r k s t o w i t h s t a n d a 1 5 0 0 - V d i e l e c t r i c t e s t t o e a r t h . A s a r e s u l t , o n l y C l a s s 2 ( s e m i - p r o t e c t e d e n v i r o n m e n t s ) i s a p p l i c a b l e .

A l s o , f o r a n E t h e r n e t c a b l e u s e d f o r P o E , t h e c a t e g o r i e s a p p l i c a b l e a r e t h e u n b a l a n c e d a n d b a l a n c e d c i r c u i t s / l i n e s . N o t e t h a t f o r a b a l a n c e d l i n e , t h e r e i s n o e x p l i c i t l i n e - t o - l i n e t e s t , b u t t h i s i s i m p l i c i t l y d o n e w i t h a l i n e - t o - G N D t e s t s e t u p u s i n g c o u p l i n g t h r o u g h a r r e s t o r s i n s t e a d o f c a p a c i t o r s ; t h i s s e t u p i s s u c h t h a t i t d o e s n o t i n f l u e n c e t h e s p e c i f i e d f u n c t i o n a l c o n d i t i o n o f t h e c i r c u i t t o b e t e s t e d .

O t h e r p o s s i b l e s t a n d a r d s a r e t h e I T U - T r e c o m m e n d a t i o n s K . 2 0 , K . 2 1 , K . 4 4 , a n d K . 4 5 , a n d i n s o m e c a s e s t h e G R - 1 0 8 9 - C O R E ( i n t r a - b u i l d i n g l i g h t n i n g s u r g e s p e c i f i c a t i o n ) .

A n o t h e r t y p i c a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d i s t h e 1 0 / 7 0 0 - s v o l t a g e w a v e f o r m . T h i s s t a n d a r d i s n o t a p p l i c a b l e f o r E t h e r n e t n e t w o r k s b e c a u s e i t o n l y a p p l i e s i n s i t u a t i o n s o f l o n g - d i s t a n c e t e l e c o m m u n i c a t i o n s i g n a l l i n e s , w i t h b o t h i n d o o r a n d o u t d o o r i n s t a l l a t i o n .

M a n y g u i d e l i n e s a p p l y t o v o l t a g e t r a n s i e n t s p r o t e c t i o n f o r e l e c t r o n i c s y s t e m s . T h e f o l l o w i n g i s a l i s t o f s o m e p r a c t i c a l r u l e s a l o n g w i t h c i r c u i t s d e s i g n s t r a t e g i e s .

T h e s o u r c e o f t r a n s i e n t v o l t a g e c a n b e o f d i f f e r e n t i a l - o r c o m m o n - m o d e t y p e o r b o t h .

T h e m a i n c a t e g o r i e s o f p r o t e c t i o n t e c h n i q u e s a g a i n s t t r a n s i e n t v o l t a g e s a r e s h i e l d i n g a n d g r o u n d i n g , f i l t e r i n g , i s o l a t i o n , a n d n o n l i n e a r d e v i c e s .

A w e l l - d e s i g n e d c i r c u i t p r o t e c t i o n i n t e r f a c e i s n o r m a l l y t h e r e s u l t o f a g o o d c o m b i n a t i o n o f b l o c k i n g a n d d i v e r t i n g t e c h n i q u e s .

T h e s e l e c t e d v o l t a g e s u p p r e s s o r m u s t h a v e t h e s p e e d / r o b u s t n e s s ( s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t a n d w a v e f o r m ) r e q u i r e d f o r t h e a p p l i c a t i o n . S h u n t ( l i n e - t o - e a r t h G N D ) c a p a c i t o r s t h a t m a y t a k e d i r e c t t r a n s i e n t h i t s s h o u l d b e r a t e d f o r h i g h v o l t a g e ( 2 k V ) . T h e s e c a p a c i t o r s m u s t a l s o h a v e t h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s : l o w E S R a t h i g h f r e q u e n c y a n d l o w p a r a s i t i c i n d u c t a n c e .

T h e p r o t e c t i o n c i r c u i t s h o u l d n o t i n t e r f e r e w i t h t h e n o r m a l b e h a v i o r o f t h e c i r c u i t r y t o b e p r o t e c t e d .

T h e p r o t e c t i o n c i r c u i t s h o u l d b e a b l e t o p r e v e n t a n y v o l t a g e t r a n s i e n t f r o m c a u s i n g a n e r r a t i c ( r e p e t i t i v e o r n o t ) b e h a v i o r o f t h e c o m p l e t e s y s t e m . E F T i s a n e x a m p l e . U s e c o m m o n - m o d e c h o k e s w h e n

8 E l e c t r i c a l T r a n s i e n t I m m u n i t y f o r P o w e r - O v e r - E t h e r n e t S L V A 2 3 3 A A p r i l 2 0 0 6 R e v i s e d A u g u s t 2 0 0 6


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9/20

www.ti.com

Suppressor

Suppressor

Devicetobe

protected

From

Transient

Source

GOOD

BAD

Devicetobe

Protected

From

Transient

Source

6 C i r c u i t P r o t e c t i o n S o l u t i o n s f o r P o E

C i r c u i t P r o t e c t i o n S o l u t i o n s f o r P o E

n e c e s s a r y .

T h e b a s i c r u l e s o f c i r c u i t l a y o u t d e s i g n a r e :

D e f i n e a l o w - i m p e d a n c e p a t h t h a t d i v e r t s a n y t r a n s i e n t c u r r e n t / v o l t a g e a w a y f r o m s e n s i t i v ec o m p o n e n t s . D o n o t l e t E S D f i n d i t s w a y t o e a r t h G N D b y i t s e l f .

H a v e a g o o d , s o l i d , a n d l o w - i m p e d a n c e e a r t h g r o u n d c o n n e c t i o n o n b o a r d .

Ke e p t h e t r a n s i e n t c u r r e n t d e n s i t y a n d t h e c u r r e n t p a t h i m p e d a n c e s a s l o w a s p o s s i b l e b y u s i n g

m u l t i p o i n t g r o u n d s w h e r e t h e c u r r e n t i s d e s i g n e d t o f l o w , a n d s i n g l e - p o i n t g r o u n d s w h e r e i t i s n o t . T h e l o o p w i t h i n w h i c h t h e f a s t - r i s i n g c u r r e n t s h a v e t o c i r c u l a t e m u s t b e a s m a l l a r e a . F o r f a s t

t r a n s i e n t s , u s e l o c a l c e r a m i c c a p a c i t o r s w h e n e v e r n e c e s s a r y , p a r t i c u l a r l y w h e n c l a m p i n g d i o d e s t o a p o w e r - s u p p l y r a i l a r e u s e d . S e e F i g u r e 2 0 .

C r e a t e p h y s i c a l s e p a r a t i o n b e t w e e n h i g h - v o l t a g e / c u r r e n t t r a n s i e n t s a r e a , i n c l o s e p r o x i m i t y t o I / Oc o n n e c t o r s , a n d t h e s e n s i t i v e c i r c u i t r y . T h e h i g h - c u r r e n t s u p p r e s s o r s m u s t b e l o c a t e d i n t h a t I / O a r e a , a s w e l l a s t h e s w i t c h e s , L E D s , a n d d i s p l a y s

P u t a l l t h e c o n n e c t o r s o n o n e e d g e o f t h e c i r c u i t , i f p o s s i b l e . P l a c e s e n s i t i v e c i r c u i t r y a t t h e c e n t e ro f t h e p r i n t e d - c i r c u i t b o a r d , i f p o s s i b l e .

R o u t e e a c h p r o t e c t e d s i g n a l f r o m t h e s u p p r e s s o r t o t h e s e n s i t i v e c i r c u i t r y i n p a r a l l e l w i t h i t si n d i v i d u a l r e t u r n s i g n a l i n o r d e r t o p r e v e n t a n y i n a d v e r t e n t t r a n s f o r m e r e f f e c t .

U s e s u r f a c e - m o u n t p a c k a g e f o r s u p p r e s s o r s . U s e 4 - t e r m i n a l c o n n e c t i o n t y p e i n o r d e r t o m i t i g a t ep a r a s i t i c i n d u c t a n c e e f f e c t . S e e F i g u r e 8 a n d F i g u r e 2 0 .

M i t i g a t e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e s b y p a s s i n g b l o c k i n g s e r i e s e l e m e n t s . H o w e v e r , h a v i n g p a r a s i t i ci n d u c t a n c e i n s e r i e s w i t h b l o c k i n g e l e m e n t s i s n o t a p r o b l e m .

F i g u r e 8 . I n t e r c o n n e c t i o n o f T r a n s i e n t V o l t a g e S u p p r e s s o r o n P r i n t e d - C i r c u i t B o a r d

O n l y s e c o n d a r y p r o t e c t i o n , u s u a l l y d e p l o y e d w i t h i n t h e e q u i p m e n t t o b e p r o t e c t e d , i s d i s c u s s e d i n t h i s d o c u m e n t . H o w e v e r , i t i s w o r t h n o t i n g t h a t w h e r e t e l e c o m m u n i c a t i o n c a b l e i s r u n o u t s i d e , p r i m a r y t e l e c o m m u n i c a t i o n p r o t e c t o r s ( P T C t h e r m i s t o r s , S I D A C t o r s , e t c . ) m u s t b e d e p l o y e d a t p o i n t s w h e r e e x p o s e d t w i s t e d p a i r s e n t e r a b u i l d i n g o r r e s i d e n c e .

I n a P o E a p p l i c a t i o n , t h e P S E ( p o w e r s o u r c e e q u i p m e n t ) i s p o w e r e d f r o m a 4 8 - V p o w e r s u p p l y , w h i c h n o r m a l l y h a s s o m e c o m m o n - m o d e c a p a c i t a n c e s c o n n e c t e d t o e a r t h g r o u n d ; t h o s e c a p a c i t a n c e s c a n b e e i t h e r d i s c r e t e c a p a c i t o r s a n d / o r c a p a c i t a n c e b e t w e e n l a y e r s i n t h e p r i n t e d - c i r c u i t b o a r d .

T h e r e f o r e , b e c a u s e t h e P S E i s n o t r e a l l y f l o a t i n g , a n y c o m m o n - m o d e v o l t a g e t r a n s i e n t a p p l i e d o n t h e d a t a

c o n n e c t o r c a n r e s u l t i n a v o l t a g e b r e a k d o w n o f P S E c o m p o n e n t s , a n d p a r t i c u l a r l y t h e P S E p o r t p o w e r s w i t c h .

F i g u r e 9 p r e s e n t s a n e x a m p l e o f t h e e f f e c t o f s u c h a t r a n s i e n t , a l o n g w i t h t h e h i g h - c u r r e n t p a t h w h i c h r e s u l t s i n t h e d e s t r u c t i o n o f t h e P S E p o w e r s w i t c h w h e n n o a p p r o p r i a t e p r o t e c t i o n i s i m p l e m e n t e d . C _ C M r e p r e s e n t s t h e c a p a c i t a n c e b e t w e e n t h e 4 8 - V l i n e s a n d c h a s s i s G N D . S u c h c a p a c i t a n c e c a n b e e i t h e r o n t h e + o r l i n e o f t h e 4 8 V , b u t i n o r d e r t o s i m p l i f y t h e i l l u s t r a t i o n , C _ C M i s s h o w n o n l y o n t h e l i n e . T h e c o n f i g u r a t i o n s h o w n i s a p p l i c a b l e w h e n t h e A C d i s c o n n e c t c i r c u i t r y i s u s e d , w h i c h r e q u i r e s t h e u s e o f D 1 . T h i s i s t h e w o r s t c a s e f o r t r a n s i e n t p r o t e c t i o n .



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10/20

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P N

Ret

D1Schottky

STPS1H100A

V48

VoltageBreakdown

C _ CM

CommonMode(Parasiticsand

Capacitorsin48VPowerSupply)

+48V

D5SMJ5848V

SW

C1

0 .1 Fm 220 Fm

220nF

+48V

ToRJ45


F i g u r e 9 . E f f e c t o f E S D / E F T o n P S E P o w e r S w i t c h W h e n T h e r e i s n o P r o t e c t i o n C i r c u i t r y

I n g e n e r a l , t h e c a t e g o r i e s o f p r o t e c t i o n t e c h n i q u e s a g a i n s t t r a n s i e n t v o l t a g e s a r e :

S h i e l d i n g a n d g r o u n d i n g

F i l t e r s : c a p a c i t o r s , i n d u c t o r s , f e r r i t e b e a d s , c h o k e s , e t c .

N o n l i n e a r d e v i c e s , i n c l u d i n g c l a m p i n g d i o d e s , T V S s , v a r i s t o r s , e t c .

I s o l a t i o n

I n a n a c t u a l a p p l i c a t i o n , w h e r e R J - 4 5 c a b l e s a r e u s e d , c a b l e s h i e l d i n g i s u s u a l l y n o t a n a v a i l a b l e s o l u t i o n .

T h e f o l l o w i n g s o l u t i o n i s p r o p o s e d i n o r d e r t o a d e q u a t e l y p r o t e c t t h e P S E i n t e g r a t e d c i r c u i t . S e e F i g u r e 1 0 .

T h i s c o n f i g u r a t i o n i s a p p l i c a b l e w h e n t h e A C d i s c o n n e c t c i r c u i t r y i s u s e d . I f t h i s i s n o t t h e c a s e , t h e n D 1 a n d D 3 a r e n o t u s e d .

1 0 E l e c t r i c a l T r a n s i e n t I m m u n i t y f o r P o w e r - O v e r - E t h e r n e t S L V A 2 3 3 A A p r i l 2 0 0 6 R e v i s e d A u g u s t 2 0 0 6


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11/20

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P N

Ret

48VSW

IN220uF/100V

220nF/

100V

0.1uF

D1 Schottky

STPS1H100A

orMBRS1100T3

D5SMJ58

D3

TVS8 V

PSOT08C (Protek)

D4SR70 (Protek &

Semtech)

orSTPS1H100A

orSTTH102

D2

SR70orES2BA

orSTTH102

ToRJ 45

C1

V48

+48V

+48V

Ethernet TX

IN

EthernetRXIN

FB1

FB2

Ferritebeads

ESDcapacitor

1nF/

2kV

C4520X7R3D102K

75ohms

75ohms

10nF/

200V10nF/

200V

Fair-Rite

2512066017Y1

Ethernet TXOUT

EthernetRXOUT

BobSmith

terminations

C2SeeNotebelow

Note:

Theproposedfuseconfigurationisjustanexampleofimplementation.

Somesystemsconfigurationsandsafetyrequirementsmightalsorequire

thefusetobeinstalledinserieswithNterminalinsteadofP.


F i g u r e 1 0 . B a s i c C i r c u i t W i t h T r a n s i e n t P r o t e c t i o n

T h e m a j o r e l e m e n t s o f t h i s p r o t e c t i o n c i r c u i t a r e :

C l a m p i n g d i o d e s D 2 a n d D 4 : k e y p a r a m e t e r s a r e t h e f o r w a r d r e c o v e r y t i m e a n d c a p a b i l i t y t o h a n d l e t r a n s i e n t c u r r e n t s f o r a s p e c i f i c d u r a t i o n , a s m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s E S D , E F T , a n d s u r g e s s e c t i o n s . T h e r e s u l t a n t f o r w a r d v o l t a g e t r a n s i e n t m u s t b e a c c e p t a b l e . W i t h i n t h e s e l e c t e d d i o d e s , t h e S R 7 0 h a s t h e a d d i t i o n a l a d v a n t a g e o f a s m a l l p a c k a g e .

T V S D 3 : k e y p a r a m e t e r s a r e r e s p o n s e t i m e a n d c u r r e n t - h a n d l i n g c a p a b i l i t y a l o n g w i t h l o w i m p e d a n c e . D 3 i s r e q u i r e d o n l y i f D 1 i s u s e d ( f o r A C d i s c o n n e c t f u n c t i o n ) .

N o t e : I f t h e a p p l i c a t i o n r e q u i r e s t h e c o n s i d e r a t i o n o f m o r e s e v e r e s u r g e s l i k e t h e o n e s d e f i n e d i n t h e G R - 1 0 8 9 - C O R E ( i n t r a - b u i l d i n g l i g h t n i n g s u r g e s p e c i f i c a t i o n ) s t a n d a r d , i t i s r e c o m m e n d e d t o u s e t h e S T P S 1 H 1 0 0 A o r S T T H 1 0 2 f o r D 2 a n d D 4 a n d a 1 5 0 0 - W T V S ( S M C G 8 . 0 , f o r e x a m p l e ) f o r D 3 , w h i c h a r e m o r e r o b u s t .

S c h o t t k y d i o d e D 1 : u s i n g a S c h o t t k y p r o v i d e s a f a s t p r o t e c t i o n a g a i n s t n e g a t i v e v o l t a g e t r a n s i e n t s , i n a d d i t i o n t o i m p r o v i n g e f f i c i e n c y o f t h e P S E .

B o b S m i t h t e r m i n a t i o n s o r l i n e - t o - G N D c a p a c i t o r s : t h e i n i t i a l E S D / E F T t r a n s i e n t h i t s c i r c u l a t e t h r o u g h t h o s e t e r m i n a t i o n s t o e a r t h g r o u n d .

F e r r i t e b e a d s : t h e s e p r o v i d e b l o c k i n g i m p e d a n c e .

T h e m a i n f u n c t i o n o f t h e f e r r i t e b e a d s i s t o p r o v i d e i s o l a t i o n a t h i g h f r e q u e n c y b e t w e e n t h e B o bS m i t h t e r m i n a t i o n s a n d t h e i n t e r n a l c a p a c i t o r p l a c e d b e t w e e n P a n d N . W i t h o u t t h e s e b e a d s , t h e

S L V A 2 3 3 A A p r i l 2 0 0 6 R e v i s e d A u g u s t 2 0 0 6 E l e c t r i c a l T r a n s i e n t I m m u n i t y f o r P o w e r - O v e r - E t h e r n e t 1 1


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t e r m i n a t i o n s m i g h t n o t w o r k c o r r e c t l y .

T h e f e r r i t e b e a d s a l s o p l a y a n i m p o r t a n t r o l e a g a i n s t E S D .

F u s e :

N o t e t h a t t h e f u s e m u s t b e s e l e c t e d s o i t w i l l w i t h s t a n d , w i t h o u t o p e n i n g , t h e e n e r g y a s s o c i a t e d t ot h e n o r m a l t r a n s i e n t s . T h e w o r s t c a s e h a p p e n s d u r i n g a s u r g e e v e n t a p p l i e d i n d i f f e r e n t i a l f r o m N t o P . I n t h i s c a s e , t h e I 2t c a n r e a c h 1 0 1 0 - 3 A2 s e c w i t h i n 3 5 s . A g o o d d e s i g n r u l e i s t o s e l e c t a

f u s e w i t h e n s u r e d c a p a c i t y o f a t l e a s t 2 t i m e s t h a t I 2t . A l s o , s o m e s y s t e m s c o n f i g u r a t i o n s a n d / o r s a f e t y r e q u i r e m e n t s m i g h t a l s o r e q u i r e t h e f u s e t o b e

i n s t a l l e d i n s e r i e s w i t h t h e N - t e r m i n a l i n s t e a d o f t h e P - t e r m i n a l .

D e c o u p l i n g c a p a c i t o r ( 1 0 0 n F ) o n 4 8 - V b u s a n d o n P N : t h e s e m u s t b e l o w - i m p e d a n c e c e r a m i c t y p e s . I t i s i m p o r t a n t t o l o c a t e C 1 c l o s e t o t h e c l a m p i n g d i o d e s a n d p r e f e r a b l y u s e o n e s u c h c a p a c i t o r p e r g r o u p o f t w o ( o r p e r h a p s f o u r ) p o r t s . A l s o i m p o r t a n t i s t h e l o c a t i o n o f C 2 i n c l o s e p r o x i m i t y t o t h e s a m e c i r c u i t r y .

T V S o n i n p u t 4 8 - V b u s : t h i s T V S i s n o r m a l l y l o c a t e d c l o s e t o t h e 4 8 - V i n p u t c o n n e c t o r , a s w e l l a s t h e 2 2 0 - F .

A l l t h e c o m p o n e n t s s e l e c t e d f e a t u r e a s u r f a c e - m o u n t p a c k a g e f o r l o w p a r a s i t i c i n d u c t a n c e .

A s c a n b e s e e n , t h e p r o t e c t i o n c o m p o n e n t s k e e p a n y t r a n s i e n t c u r r e n t f r o m f l o w i n g t h r o u g h t h e N - t o - R T N o r t h e P - t o - R T N o f t h e I C , i n e i t h e r p o s i t i v e o r n e g a t i v e p o l a r i t y .

H o w e v e r , t h o s e t r a n s i e n t c u r r e n t s m a y f o l l o w d i f f e r e n t p a t h s d e p e n d i n g o n t h e s o u r c e o f t h e t r a n s i e n t . T h i s i s i l l u s t r a t e d f r o m F i g u r e 1 1 t o F i g u r e 1 4 .

T h e c a s e o f E S D o r E F T , w h i c h a r e f a s t a n d c o m m o n - m o d e e v e n t s , i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 1 a n dF i g u r e 1 2 . T h e c a s e o f s u r g e s , w h i c h a r e m u c h s l o w e r , i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 3 a n d F i g u r e 1 4 ; b o t h c o m m o n a n d d i f f e r e n t i a l ( b e t w e e n P a n d N p a i r s ) m o d e s u r g e s a r e h a n d l e d b y t h e c i r c u i t r y a l t h o u g h o n l y t h e f i r s t ( c o m m o n - m o d e ) t y p e i s i l l u s t r a t e d .

O n e i n t e r e s t i n g p o i n t i s t h a t t h e D C v o l t a g e l e v e l s o n C 1 a n d C 2 j u s t p r i o r t o t h e t r a n s i e n t e v e n t d i r e c t l y e f f e c t t h e p a t h s t h a t t h o s e t r a n s i e n t c u r r e n t s f o l l o w .

F o r e x a m p l e , w i t h a n e g a t i v e E F T e v e n t o n N w h i l e t h e P S E p o w e r s w i t c h i s O F F , c o n s i d e r t h e f o l l o w i n g s c e n a r i o s :

I n a l l s c e n a r i o s , a t t h e b e g i n n i n g o f e v e r y E F T p u l s e , t h e c u r r e n t c i r c u l a t e s f o r a sh o r t t i m e i n t h e B o b S m i t h t e r m i n a t i o n .

I f t h e 5 6 - V p o w e r s u p p l y i s O N j u s t p r i o r t o t h e e v e n t : t h e t r a n s i e n t c u r r e n t o n l y c i r c u l a t e s t h r o u g h t h e p a t h o f D 1 , C 1 , a n d C 2 , a n d d oe s n o t c i r c u l a t e a t a l l t h r o u g h t h e c l a m p i n g d i o d e D 4 .

I f t h e 5 6 - V p o w e r s u p p l y i s O F F b u t s t i l l c o n n e c t e d a n d i f C 2 i s n o t c h a r g e d : d u r i n g t h e f i r s t E F T p u l s e s o f t h a t e v e n t , t h e c u r r e n t c i r c u l a t e s t h r o u g h D 1 , C 1 , a n d C 2 . T h e c a p a c i t o r C 2 a c c u m u l a t e s s o m e c h a r g e , a n d i t s v o l t a g e i n c r e a s e s f r o m o n e E F T p u l s e t o t h e n e x t o n e .

I f t h e 5 6 - V p o w e r s u p p l y i s O F F b u t s t i l l c o n n e c t e d a n d i f C 2 i s c h a r g e d t o a c e r t a i n l e v e l : t h e c u r r e n t f o l l o w s t w o p a t h s d e p e n d i n g o n t h e v o l t a g e a c c u m u l a t e d i n C 2 , a n d f r o m o n e E F T p u l s e t o t h e n e x t o n e , t h e C 2 p a t h t a k e s a h i g h e r p r o p o r t i o n o f t h a t c u r r e n t .

T h i s i s i l l u s t r a t e d a t t h e l e f t i n F i g u r e 1 2 . S i m u l a t i o n r e s u l t s a r e a l s o s h o w n i n F i g u r e 1 5 t o F i g u r e 1 7 .

S i m u l a t i o n r e s u l t s i n F i g u r e 1 8 a l s o s h o w a s i m i l a r b e h a v i o r b u t w i t h a s u r g e , w h i c h i s m u c h s l o w e r t h a n E F T .

O n E S D o r E F T s i m u l a t i o n s , i t i s c l e a r t h a t t h e B S t e r m i n a t i o n , a l o n g w i t h t h e f e r r i t e b e a d s , p l a y a n

i m p o r t a n t r o l e i n E S D / E F T s u p p r e s s i o n . B S t e r m i n a t i o n s a r e f i r s t o f a l l u s e d f o r E M C r e a s o n s . T h e p a i r - t o - p a i r r e l a t i o n s h i p o f a C a t - 5 c a b l e f o r m t r a n s m i s s i o n l i n e s i n t h e m s e l v e s , w h i c h n e e d B S t e r m i n a t i o n s i n o r d e r t o a v o i d m u l t i p l e r e f l e c t i o n s a n d s t a n d i n g w a v e p r o b l e m s . S e c o n d l y , t h o s e t e r m i n a t i o n s c l e a r l y d e f i n e t h e f i r s t p a t h t h a t a n E S D o r E F T s t r i k e w i l l f o l l o w . N o t e t h a t s u b s t i t u t i n g B S t e r m i n a t i o n s w i t h c a p a c i t o r s t o c h a s s i s g r o u n d w i t h o u t a n y s e r i e s m a t c h i n g ( o r d a m p i n g ) r e s i s t o r r e s u l t s i n a l o w p a i r - t o - p a i r m a t c h i n g i m p e d a n c e w h i c h m i g h t r e s u l t i n e v e n s t r o n g e r E M C p r o b l e m s .



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I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t f o r t h e m e n t i o n e d t h r e a t l e v e l s a n d b a s e d o n s i m u l a t i o n r e s u l t s , t h e m a x i m u m p o s s i b l e v o l t a g e o n a l i n e - t o - e a r t h G N D c a p a c i t o r i s a p p r o x i m a t e l y 1 k V ; s o , a 2 - k V - r a t e d c a p a c i t o r i s a s a f e c h o i c e . S i m u l a t i o n s i n d i c a t e t h a t w i t h 8 - k V E S D a p p l i e d a n d w i t h a 1 5 0 p F / 3 3 0 - h u m a n / m e t a l m o d e l , t h e r e s u l t a n t v o l t a g e o n t h e 1 n F o f t h e B o b S m i t h t e r m i n a t i o n i s l e s s t h a n 1 0 0 V . T h e w o r s t - c a s e h i g h v o l t a g e o n t h i s c a p a c i t o r o c c u r s d u r i n g t h e s u r g e t e s t w h i c h i s a t 1 k V f o r C l a s s - 2 . S i m i l a r l y , a 2 0 0 - V r a t i n g f o r t h e 1 0 n F i s a s a f e c h o i c e .

T e s t s h a v e b e e n p e r f o r m e d w i t h t h e c l a m p d i o d e s p l u s B o b S m i t h t e r m i n a t i o n a n d f e r r i t e b e a d s . T h e r e s u l t s h a v e b e e n s a t i s f a c t o r y a n d d e m o n s t r a t e t h a t t h e T P S 2 3 8 4 a n d i t s c i r c u i t r y c a n t o l e r a t e s o m e f o r w a r d v o l t a g e d r o p o n D 2 a n d D 4 w h i l e s u p p o r t i n g h i g h t r a n s i e n t c u r r e n t s . E x a m p l e s o f s u g g e s t e d b o a r d l a y o u t s a r e s h o w n i n F i g u r e 1 9 a n d F i g u r e 2 1 .

N o t e t h a t t h e o p t i o n a l c o m m o n m o d e c h o k e c a n b e u s e d i n s i t u a t i o n s w h e r e E F T e v e n t s c a u s e e r r a t i c b e h a v i o r o f t h e s y s t e m . I n o r d e r f o r t h i s c h o k e t o b e e f f e c t i v e , a l l s i g n a l s h a v e t o p a s s t h r o u g h i t , w h i c h m e a n s t h e P s , N s , t h e 4 8 V a n d t h e G N D c o n n e c t i o n .

C l e a r l y , t h e f o l l o w i n g c o m p o n e n t s a n d t h e c o n n e c t o r s ( p o w e r i n p u t a n d R J - 4 5 ) m u s t b e c l o s e t o g e t h e r i n o r d e r t o k e e p t h e a r e a o f t h e t r a n s i e n t c u r r e n t l o o p ( a n d i t s i m p e d a n c e ) a s s m a l l a s p o s s i b l e : D 2 , D 4 , D 3 , D 1 , C 1 , a n d C 2 .

F o r e x a m p l e , t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e c l a m p i n g d i o d e D 2 i s g r e a t l y r e d u c e d i f C 1 i s n o t l o c a t e d n e a r b y i n E S D o r E F T a p p l i c a t i o n .

I n a p p l i c a t i o n s w i t h m u l t i p l e p o r t s , i t i s r e c o m m e n d e d t o h a v e o n e s u c h C 1 p e r g r o u p o f p o r t s ( p r e f e r a b l y t w o o r f o u r ) a n d t o p l a c e i t p h y s i c a l l y c l o s e t o i t s g r o u p o f c o m p o n e n t s .

I t i s a l s o i m p o r t a n t t o p r o v i d e s u f f i c i e n t c o p p e r a r e a f o r t h e s u p p r e s s o r d e v i c e i n o r d e r t o f a c i l i t a t e h e a t s i n k i n g .

N o t e t h a t E t h e r n e t i n t e r f a c e c i r c u i t r y u s u a l l y a l s o r e q u i r e s d a t a l i n e p r o t e c t o r s f o r t h e d a t a l i n e d r i v e r c i r c u i t r y . H o w e v e r , t h i s d i s c u s s i o n h a s m a i n l y f o c u s e d o n p r o t e c t i o n t e c h n i q u e s a p p l i c a b l e t o P o w e r - O v e r - E t h e r n e t c i r c u i t r y .



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Time

0s 10ns 20ns 30ns 40ns 50ns 60ns 70ns 80ns 90ns 100ns1 V(D15:2) V(C19:2,L1:2)2 V(L1:1)

-5.0V

0V

5.0V1

-800V

-400V

0V

400V2

>>

(11.100n,-713.398)

NotealsothatthedeltaVonthe0.22uFduringanEFTpulsewilldecreaseasitsinitialvoltageincreasessothatalotofcyclesarerequiredbeforeallcurrentcirculatesintheSR70only

(25.060n,-1.4844)

(91.140n,740.152m)

FromoneEFTpulsetothenextone,the0.22uFisgraduallychargedandthecurrentwillbe

graduallysharedbetweentheparallelSR70andtheschottky

-I(D15) I(R30) I(V13) I(V29)-20A

-10A

0A

10A

20A

SEL>>(16.260n,-14.796)

(24.300n,-1.8923)

andthenmainlyintheschottkydiode(alittlebitintheparallelSR70)

NegativeEFTonNand56VOFF(butconnected):thecurrentcirculatesatfirstinBStermination

(11.012n,-9.2771)

Theseriesferritebeadalsoplaysanimportantrole

Time

0s 10ns 20ns 30ns 40ns 50ns 60ns 70ns 80ns 90ns 100ns1 V(D15:2) V(C19:2,L1:2)2 V(L1:1)

-5.0V

0V

5.0V1

-800V

-400V

0V

400V2

>>

(11.100n,-713.398)

NotealsothatthedeltaVonthe0.22uFduringanEFTpulsewilldecrease

asitsinitialvoltageincreasessothatalotofcyclesarerequiredbefore

allcurrentcirculatesintheSR70only

Vinitialof0.22uF:3V

FromoneEFTpulsetothenextone,the0.22uFisgraduallychargedandthecurrentwillbe

graduallysharedbetweentheparallelSR70andtheschottky

(19.340n,-3.9544)

(0.000,3.0000) (85.500n,3.2107)

-I(D15) I(R30) I(V13) I(V29)-20A

0A

20A

SEL>>

andthenmainlyintheschottkydiode(alittlebitintheparallelSR70)

NegativeEFTonNand56VOFF(butconnected):thecurrentcirculatesatfirstinBStermination

(11.012n,-9.2771)

Theseriesferritebeadalsoplaysanimportantrole

(21.780n,-9.2046)

(15.740n,-6.9017)


N O T E : U p p e r g r a p h : B S t e r m i n a t i o n c u r r e n t ( b l u e ) , u p p e r S R 7 0 d i o d e c u r r e n t ( g r e e n ) , S c h o t t k y d i o d e c u r r e n t

( y e l l o w )

L o w e r g r a p h : v o l t a g e o n N ( d r a i n ) t e r m i n a l o f P S E p o w e r s w i t c h ( g r e e n ) , v o l t a g e o n c a p a c i t o r C 2 ( a c r o s s P

a n d N ) ( r e d ) , B S t e r m i n a t i o n v o l t a g e ( b l u e ) .

F i g u r e 1 6 . N e g a t i v e E F T S i m u l a t i o n o n N T e r m i n a l W i t h 5 6 V P o w e r S u p p l y O F F

N O T E : U p p e r g r a p h : B S t e r m i n a t i o n c u r r e n t ( b l u e ) , u p p e r S R 7 0 d i o d e c u r r e n t ( g r e e n ) , S c h o t t k y d i o d e c u r r e n t ( y e l l o w )

L o w e r g r a p h : v o l t a g e o n N ( d r a i n ) t e r m i n a l o f P S E p o w e r s w i t c h ( g r e e n ) , v o l t a g e o n c a p a c i t o r C 2 ( a c r o s s P

a n d N ) ( r e d ) , B S t e r m i n a t i o n v o l t a g e ( b l u e )

F i g u r e 1 7 . N e g a t i v e E F T S i m u l a t i o n o n N T e r m i n a l W i t h 5 6 V P o w e r S u p p l y O F F a n d W i t h 3 V I n i t i a l l y o n C 2



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Time

0s 5us 10us 15us 20us 25us 30us 35us 40us 45us 50usV(R32:2)

0V

20V

40V

60V

-10VSEL>>

TheSR70isnotaperfectlowimpedancebutitisenough

(3.9219u,-8.2581)

I(D15) I(V13) I(C36) I(V16)-40A

0A

40A

sincethe0.22uFgetsrecharged(thebehaviourwillbedifferentifthe56Visnotpresent)

NegativeSurgetestonPSEwithcompleteprotectionexceptCMchoke:0.1uF=C22=C25

ThecurrentcirculatesatfirstthroughtheschottkyforawhileandthenthroughtheparallelSR70(3.9619u,22.638)

(3.2692u,-19.973)


U p p e r g r a p h : l o w e r S R 7 0 d i o d e c u r r e n t ( g r e e n ) , S c h o t t k y d i o d e c u r r e n t ( y e l l o w )

L o w e r g r a p h : v o l t a g e o n N ( d r a i n ) t e r m i n a l o f P S E p o w e r s w i t c h ( g r e e n )

F i g u r e 1 8 . N e g a t i v e S u r g e S i m u l a t i o n o n N T e r m i n a l W i t h 5 6 V P o w e r S u p p l y O N



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RJ45

in

Fuses +

ferritebeads

RJ45

in

RJ

outBST

Fuses +

ferritebeads

EarthGND

POE

transformers2 TX & 2 RX

BST

GND

plane

Diodesandcaps

48V-GND

planesP1,P2

N1,N2GND,48V CM

FB1

FB2

Ferritebeads1 per

port

BobSmithterminations

D5

SMJ58220uF

/100V

+48V

48Vsuppressor

Optionalcommon

modechoke

P1

N1

GND

D1 Schottky

D4

SR700.1uF

D3

TVS 8VPSOT08C

D4SR70

P1

N1

+48V

EarthGND

EarthGND

L1

Lx

POEtransformers

2 TX & 2 RX

RJ45

out

48V

VIN48

45TPS2384

{To

SensitiveCircuit

BAD GOOD

{To

SensitiveCircuit


F i g u r e 1 9 . L a y o u t f o r a D u a l P o r t P S E

F i g u r e 2 0 . I n t e r c o n n e c t i o n t o C l a m p i n g D e v i c e s



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19/20

www.ti.com

RJ45

in

RJ45in

RJ45out

BST

Fuses +

ferritebeads

Earth

GND

POE

transformers2 TX& 2 RX

POEtransformers

2 TX &2 RX

BST

TPS2384

GND

plane

Diodesand

caps

48V-GND

planesP1,P2N1,N2

GND,48V CM

D5

SMJ58220uF

/100V

+48V

48V

suppressor

Optionalcommonmodechoke

P1

N1

GND

D1 Schottky

D4SR70

0.1uF

D3TVS8V

PSOT08C

D4SR70

P1

N1

+48V

EarthGND

EarthGND

EarthGND

RJ45out

RJ45

in

RJ45out

EarthGND

POEtransformers

2 TX &2 RX

POEtransformers

2TX & 2 RX

BST

BST

Diodesand

caps

Fuses +ferrite

beads

N3,N4GND CM

P3,P4

Fuses +

ferritebeads

Fuses +ferrite

beads

FB1

FB2

Ferritebeads1 per

port

BobSmith

terminations

L1

Lx

RJ45in

EarthGND

RJ45

out

48VIN

48V

7 R e f e r e n c e s

R e f e r e n c e s

F i g u r e 2 1 . L a y o u t f o r a Q u a d P o r t P S E

1 . P r o t e c t i o n o f E l e c t r o n i c C i r c u i t s f r o m O v e r v o l t a g e s , R o n a l d B . S t a n d l e r , D o v e r P u b l i c a t i o n s i n c . , 2 0 0 2

2 . I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 2 , 2 0 0 1 - 0 4

3 . I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 4 , 2 0 0 4 - 7

4 . I E C 6 1 0 0 0 - 4 - 5 , 2 0 0 1 - 4

5 . I T U - T r e c o m m e n d a t i o n s K . 2 0 , K . 2 1 , K . 4 4 , a n d K . 4 5 6 . G R - 1 0 8 9 - C O R E , I s s u e 4 .

7 . D e s i g n i n T r a n s i e n t P r o t e c t i o n f o r P o w e r - B u s a n d D a t a L i n e s , D a v i d W . H u t c h i n s , E l e c t r o n i c D e s i g n , J u l y 1 9 9 0

8 . E l e c t r i c a l - T r a n s i e

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