Hur man skyddar Ethernet-nätverk mot överspänning

När Ethernet blir stomnätet i industriell kommunikation blir infrastrukturens känslighet för överspänning, som t.ex. blixtnedslag, en kritisk utmaning. Sådana incidenter kan orsaka jordslingor och magnetiskt inducerade spänningar, vilket potentiellt kan lamslå tekniska driftsystem.

För att bibehålla Ethernet-anslutna enheters systemintegritet och funktionalitet behöver utvecklarna en robust lösning för att skydda känslig elektronik från destruktiv energiöverföring.

Artikeln beskriver kortfattat hur överspänning påverkar elektroniska system. Därefter introduceras skyddsanordningar från Analog Devices och hur dessa kan användas för att mildra effekterna av överspänning.

Hur överspänning påverkar elektroniska system

Överspänning kan uppstå på grund av flera faktorer där den mest dramatiska och destruktiva faktorn är blixtnedslag. Ett blixtnedslag kan på flera kilometers avstånd orsaka jordslingor och magnetiskt inducerade spänningar i elektroniska system. Den transienta överspänningen kan skada känslig elektronik och störa viktiga funktioner.

Effekterna av överspänning i elektroniska system sträcker sig längre än till tillfälliga fel. Dessa överföringar av hög energi kan orsaka oåterkalleliga skador på kretsar, vilket leder till kostsamma reparationer och driftstopp. I Ethernet-nätverk kan överspänning skada nätverkshårdvaran och de anslutna enheterna, vilket medför dataförluster, försämrad systemprestanda och till och med fullständiga systemfel.

Känsligheten för överspänning i Ethernet-infrastrukturen beror på dess omfattande räckvidd och sammankopplade natur. Långa Ethernet-kablar fångar upp elektromagnetiska störningar från omgivningen, inklusive inducerade spänningar och strömmar från en överspänningshändelse, och når enheter som är till synes isolerade från överspänningspunkten (figur 1a).

Figur 1: En oskyddad Ethernet-installation är känslig för överspänning som passerar genom känslig elektronik (a), men med hjälp av konstruktionsmetoder för överspänningsskydd, som t.ex. skyddsplan, kan man skapa en säker väg för överspänningens ström (b). (Bildkälla: Analog Devices)

Utvecklare måste implementera robusta överspänningsskydd för att skydda känslig elektronik från dessa överföringar av hög energi, för att garantera systemets integritet och funktion. Det innebär att viktiga punkter i nätverket skyddas med överspänningsskydd som kan avleda överskottsenergin bort från känsliga komponenter, antingen genom att jorda den eller avleda den på ett säkert sätt med hjälp av tekniker som t.ex. skyddsplan (figur 1b).

För att kunna bygga in överspänningsskydd i sina anslutna enheter använder utvecklare avancerade konstruktionsmetoder, som t.ex. spänningslåsning med hjälp av transientspänningsdämpare (TVS), metoder för isolering, högfrekvensfiltrering och andra tekniker. Samtidigt kräver ett framgångsrikt överspänningsskydd att dessa tekniker kombineras med specialkomponenter, inklusive enheter för det fysiska Ethernet-lagret (PHY), styrenheter och strömförsörjningsutrustning som är utformade för att hantera de påfrestningar som överspänning ger upphov till.

En uppsättning lösningar från Analog Devices är särskilt utformade för att stödja konstruktionsmetoder för överspänningsskydd, samtidigt som de uppfyller de specialiserade kraven för robust funktion i Ethernet-anslutna enheter.

Konstruera överspänningsskydd för Ethernet-nätverk

För organisationer som går från äldre kommunikationssätt till Ethernet-baserad anslutning skapar utvecklingen av Ethernet-standarden 10BASE-T1L för det fysiska Ethernet-lagret den viktiga länk som krävs för att ansluta enheter i molnkanten på avlägsna och farliga platser i fabriken med standarden IEEE 802.3cg för Ethernet-kabel via ett kabelpar (SPE) och 10 Mbit/s. ADIN1100 är en transceiver med låg strömförbrukning från Analog Devices som är utformad för att stödja dessa standarder och har stöd för Ethernet-anslutningar med en räckvidd på upp till 1 700 m. ADIN1100 förbrukar endast 39 mW och kombinerar en omfattande funktionell arkitektur med ett hårdvarugränssnitt som är utformat för att förenkla anslutningen av en värdprocessor till ett Ethernet-nätverk (figur 2).

Figur 2: ADIN1100 tillhandahåller ett komplett fysiskt lager för 10BASE-T1L, vilket förenklar övergången från industriella system till Ethernet-nätverk. (Bildkälla: Analog Devices)

Överspänningsskyddet för ADIN100 med integrerad övervakning av strömförsörjningen och kretsar för återställning vid strömtillslag (POR) bidrar till systemets robusthet och garanterar stabil drift även vid instabila förhållanden. Med utvärderingskortet EVAL-ADIN1100-EBZ från Analog Devices kan utvecklare snabbt bedöma prestandan hos ADIN1100 och utforska ytterligare mekanismer för överspänningsskydd.

Tillsammans med statusindikeringar i form av lysdioder, knappar och gränssnittsanslutningar tillhandahåller utvärderingskortet testpunkter, ett litet prototypområde för att undersöka alternativa metoder för kabelanslutning och som tillval isolationstransformatorer och effektkopplingsinduktorer (figur 3).

Figur 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 förenklar utvärderingen av prestandan hos ADIN1100 och experiment med konstruktionsmekanismer för överspänningsskydd. (Bildkälla: Analog Devices)

Styrenhet för industriella Ethernet-enheter

LTC9111 från Analog Devices är en styrenhet för SPoE (Ethernet via ett kabelpar) med ett stort driftområde, från 2,3 till 60 V. Den är utformad för industriella SPoE-tillämpningar och uppfyller standarden IEEE 802.3cg. Enheten stödjer SCCP (Serial Communication Classification Protocol) i system där den strömförsörjda enheten (PD) och strömförsörjningsutrustningen (PSE) delar information om de effektklasser som krävs.

I enlighet med standarden IEEE 802.3cg är LTC9111 tillverkad för att minska effekten av överspänningshändelser, men utvecklare som använder enheten i överspänningskänsliga tillämpningar kan inkludera en spänningslåsning, som t.ex. en TVS-diod. En TVS-diod tillsammans med ADIN1100 är en effektiv lösning för att implementera SPoE-lösningar som kan användas över längre avstånd (figur 4).

Figur 4: LTC9111 i kombination med ADIN1100 förenklar SPoE-konstruktioner och kräver endast ett fåtal kringkomponenter för att komplettera den strömförsörjda enhetens sida av en industriell Ethernet-anslutning. (Bildkälla: Analog Devices)

Styrkrets för en SPoE-strömförsörjningsenhet

SPoE-strömförsörjningsenheten LTC4296-1 med fem portar är en styrkrets för SPoE-strömförsörjning som konstruerats för att samverka med strömförsörjda enheter enligt standarden 802.3cg i system för 24 eller 54 V. Enheten har ett inspänningsområde på mellan 6 och 60 V och stöd för en mängd olika skyddsfunktioner, inklusive användning av externa MOSFET:ar med N-kanal, analog strömbegränsning i återkopplingen (ACL), justerbara elektroniska kretsbrytare för källa och retur, med mera. För ytterligare överspänningsskydd kan utvecklare lägga till en TVS-diod, som t.ex. SMAJ58A från Littelfuse, för att dämpa transienter i matningsspänningen (figur 5).

Figur 5: Styrkretsen LTC4296-1 med fem portar för SPoE kompletterar styrenheten LTC9111 PD och förenklar utformningen av strömförsörjningen för en industriell Ethernet-anslutning. (Bildkälla: Analog Devices)

Med hjälp av utvärderingssatsen EVAL-SPoE-KIT-AZ från Analog Devices kan utvecklare snabbt skaffa sig erfarenheter för styrning av strömförsörjningsutrustning. Satsen gör det möjligt för konstruktörer att studera en komplett SPoE-tillämpning som uppfyller standarden IEEE 802.3. Den levereras med moderkort baserade på LTC4296-1 och LTC9111 som vart och ett innehåller anslutningsskydd baserade på ADIN1100 och ansluts via en SPE-kabel (figur 6).

Figur 6: Utvärderingssatsen EVAL-SPoE-KIT-AZ innehåller en komplett uppsättning hårdvara och kablage för att utvärdera en SPoE-tillämpning baserad på styrenheterna LTC4296-1 PSE och LTC9111 PD samt enheten ADIN1100 10BASE-T1L för det fysiska Ethernet-lagret. (Bildkälla: Analog Devices)

Även om styrenheterna LTC4296-1 PSE och LTC9111 PD och enheten ADIN1100 10BASE-T1L för det fysiska Ethernet-lagret gör det möjligt att snabbt implementera SPoE-lösningar som uppfyller standarden IEEE 802.3cg, hanterar en annan lösning från Analog Devices behovet av styrning med aktiv låsning.

Styrenhet för pulsbreddsmodulering med aktiv låsning

Serien MAX5974 från Analog Devices är styrenheter för pulsbreddsmodulering med aktiv låsning, spritt spektrum och strömläge som konstruerats för att förbättra effektiviteten för strömförsörjningskällor i tillämpningar med strömförsörjda PoE-enheter. Enheterna i serien MAX5974 finns i flera olika varianter. MAX5974D är till exempel konstruerad för att stödja utspänningsreglering med traditionell återkoppling från optokopplare. MAX5974B är däremot konstruerad för att stödja utspänningsreglering utan någon optokopplare, samtidigt som den kopplade induktorns utgång kan härledas till omvandlarens matningsingång (IN) (figur 7).

Figur 7: MAX5974B från Analog Devices förenklar konstruktionen av omvandlare med aktiv låsning genom att eliminera optokopplarna i återkopplingen och härleda omvandlarens inspänning (IN) från den kopplade induktorns utgång. (Bildkälla: Analog Devices)

Den framåtriktade låsningen för maximal arbetscykel som är integrerad i MAX5974 garanterar att den maximala låsningsspänningen förblir oberoende av linjespänningen vid transienta förhållanden. Enhetens förmåga att begränsa strömmen cykel för cykel bidrar ytterligare till att skydda känslig elektronik. När enheten upptäcker att gränsen för toppströmmen är uppnådd och kvarstår under en viss tid, stänger den tillfälligt av utgången för huvudswitchens gatedrivning (NDRV) och den aktiva låsningens utgång för gatedrivning (AUXDRV), så att överbelastningsströmmen kan försvinna innan en mjukstart påbörjas.

Tillämpning av en bred strategi för överspänningsskydd

Produkterna gör det möjligt att använda en mängd olika överspänningsskydd i Ethernet-nätverk. ADIN1100 har lång räckvidd och låg strömförbrukning och fungerar som en stabil grund för nätverket. Styrenheterna LTC9111 och LTC4296 arbetar tillsammans för att hantera strömförsörjningen och skydda mot överspänningar på nivåer för både den strömförsörjda enheten och strömförsörjningsutrustningen. MAX5974 kompletterar installationen genom att garantera en effektiv kraftomvandling och minska risken för energislöseri vid överspänning.

Genom att samordna och implementera produkterna kan utvecklare förbättra överspänningsskyddet i Ethernet-nätverk avsevärt. Detta integrerade tillvägagångssätt skyddar hårdvaran och garanterar oavbruten kommunikation och drift.

Sammanfattning

Ethernet har betydande fördelar för industriell kommunikation, men långa kabelsträckor gör att känslig elektronik är sårbar för överspänning. Med hjälp av en uppsättning enheter och utvecklingsresurser från Analog Devices kan utvecklare snabbt implementera Ethernet-anslutningar som kan stå emot effekter orsakade av överspänning.