Sådan beskyttes Ethernet-netværk mod overspændingshændelser

Efterhånden som Ethernet bliver rygraden i industriel kommunikation, udgør infrastrukturens følsomhed over for overspændingshændelser, som f.eks. lynnedslag, en kritisk udfordring. Sådanne hændelser kan fremkalde jordsløjfer og magnetisk koblede spændinger, der potentielt kan lamme operationelle teknologisystemer.

For at bevare Ethernet-tilsluttede enheders systemintegritet og funktionalitet har udviklere brug for en robust løsning til at beskytte følsom elektronik mod destruktive energioverførsler.

Denne artikel beskriver kort, hvordan overspænding påvirker elektroniske systemer. Derefter introduceres beskyttelsesenheder fra Analog Devices, og det vises, hvordan man bruger dem til at afbøde overspændingshændelser.

Hvordan overspændingshændelser påvirker elektroniske systemer

Overspændinger kan opstå på grund af flere faktorer, hvor lynnedslag er den mest dramatiske og ødelæggende. Selv på flere kilometers afstand kan et lynnedslag fremkalde jordsløjfer og magnetisk koblede spændinger i elektroniske systemer. Denne forbigående overspænding kan beskadige følsom elektronik og forstyrre kritisk drift.

Effekten af overspændingshændelser på elektroniske systemer rækker ud over midlertidig funktionsfejl. Disse højenergioverførsler kan forårsage uoprettelige skader på kredsløb, hvilket fører til dyre reparationer og nedetid for systemet. I Ethernet-netværk kan overspænding beskadige netværkshardwaren og de tilsluttede enheder, hvilket kan føre til tab af data, nedsat systemydelse og endda komplet systemsvigt.

Ethernet-infrastrukturens følsomhed over for overspændingshændelser skyldes dens store rækkevidde og sammenkoblede natur. Når Ethernet-kabler krydser lange afstande, opfanger de elektromagnetiske forstyrrelser fra omgivelserne, herunder inducerede spændinger og strømme fra en overspændingshændelse, der når enheder, der tilsyneladende er isoleret fra overspændingspunktet (figur 1a).

Figur 1: En ubeskyttet Ethernet-installation er modtagelig for overspændingshændelser, der passerer gennem følsom elektronik (a), men ved at bruge overspændingsbeskyttende designmetoder som beskyttelsesplaner kan man skabe en sikker vej for overspændingsstrømme (b). (Billedkilde: Analog Devices)

Udviklere skal implementere robuste foranstaltninger for overspændingsbeskyttelse for at beskytte følsom elektronik mod disse høje energioverførsler og sikre systemintegritet og funktionalitet. Det indebærer at beskytte kritiske punkter i netværket med enheder til overspændingsbeskyttelse, der kan lede den overskydende energi væk fra følsomme komponenter, enten ved at jordforbinde den eller aflede den sikkert ved hjælp af teknikker som beskyttelsesplaner (figur 1b).

For at indbygge overspændingsbeskyttelse i deres tilsluttede enheder bruger udviklerne avancerede designmetoder som f.eks. spændingsklemme ved hjælp af en transient spændingsundertrykker (TVS), isolationsmetoder, højfrekvensfiltrering og andre teknikker. Samtidig kræver en vellykket overspændingsbeskyttelse, at disse teknikker kombineres med specialiserede komponenter, herunder Ethernet Physical Layer (PHY)-enheder, controllere og strømforsyningsudstyr, der er designet til at håndtere de belastninger, som overspændingshændelser medfører.

Et sæt løsninger fra Analog Devices er specifikt designet til at understøtte designmetoder til overspændingsbeskyttelse, samtidig med at de opfylder de særlige krav til robust funktionalitet i Ethernet-forbundne enheder.

Indbygning af overspændingsbeskyttelse i Ethernet-netværk

For organisationer, der overgår fra ældre kommunikation til Ethernet-baseret forbindelse, giver fremkomsten af 10BASE-T1L Ethernet-standarden for det fysiske lag det kritiske link, der er nødvendigt for at forbinde edge-enheder på fjerntliggende og farlige steder på fabrikken ved hjælp af IEEE 802.3cg-standarden for 10 megabit per sekund (Mbps) SPE-kabel (SPE - single-pair Ethernet. Analog Devices' ADIN1100 er designet til at understøtte disse standarder og er en single-port transceiver med lavt strømforbrug, der understøtter Ethernet-forbindelse på afstande op til 1.700 meter (m). ADIN1100 bruger kun 39 milliwatt (mW) og kombinerer en omfattende funktionel arkitektur med en hardwareinterface, der er designet til at forenkle tilslutningen af en værtsprocessor til et Ethernet-netværk (figur 2).

Figur 2: ADIN1100 leverer en komplet 10BASE-T1L PHY, der forenkler overgangen fra industrielle systemer til Ethernet-netværk. (Billedkilde: Analog Devices)

ADIN1100's overspændingsbeskyttende design med integreret strømforsyningsovervågning og POR-kredsløb (power-on reset) bidrager til systemets robusthed og sikrer stabil drift, selv under ustabile forhold. Med Analog Devices' EVAL-ADIN1100-EBZ-evalueringskort kan udviklere hurtigt vurdere ADIN1100's ydeevne og udforske yderligere overspændingsbeskyttelsesmekanismer.

Sammen med LED-statusindikatorer, knapper og interfaceforbindelser har evalueringskortet testpunkter, et lille prototypeområde til undersøgelse af alternative kabelforbindelsesmetoder og valgfri isolationstransformere eller effektkoblingsinduktorer (figur 3).

Figur 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 forenkler evalueringen af ADIN1100's ydeevne og eksperimenter med overspændingsbeskyttelsens designmekanismer. (Billedkilde: Analog Devices)

Industriel Ethernet-drevet enhedscontroller

Analog Devices LTC9111 er designet til industrielle SPE-applikationer og er en IEEE 802.3cg-kompatibel, SPoE-drevet (single-pair power over Ethernet) enhedscontroller med et bredt driftsområde fra 2,3 til 60 volt. Enheden understøtter den serielle protokol til kommunikationsklassifikation (SCCP) i systemer, hvor den strømforsynede enhed (PD - powered device) og strømforsyningsudstyret (PSE - power sourcing equipment) deler oplysninger om nødvendige strømklasser.

Med sin understøttelse af IEEE 802.3cg er LTC9111 bygget til at reducere effekten af overspændingshændelser, men udviklere, der bruger enheden i overspændingsfølsomme applikationer, kan inkludere en spændingsklemme som f.eks. en TVS-diode. En TVS kombineret med ADIN1100 giver en effektiv løsning til implementering af SPoE-løsninger, der kan fungere over længere afstande (figur 4).

Figur 4: Kombineret med ADIN1100 forenkler LTC9111 SPoE-design, idet der kun kræves nogle få ekstra komponenter for at færdiggøre den strømforsynede side af en industriel Ethernet-forbindelse. (Billedkilde: Analog Devices)

SPoE PSE-controller

Til strømforsyningen i en 802.3cg-kompatibel applikation er LTC4296-1 en SPoE PSE-controller med fem porte, der er designet til interoperabilitet med 802.3cg PD'er i 24 eller 54 volt-systemer. Enheden har et indgangsspændingsområde på 6 til 60 volt og understøtter et omfattende sæt beskyttelsesfunktioner, herunder brug af eksterne N-kanal MOSFET'er, foldback analog strømbegrænsning (ACL), justerbare elektroniske kilde- og returafbrydere med mere. For yderligere overspændingsbeskyttelse kan udviklere tilføje en TVS-diode, såsom Littelfuse SMAJ58A, for at afbøde forsyningsspidser (figur 5).

Figur 5: Som supplement til LTC9111 PD-controlleren forenkler LTC4296-1 SPoE-controlleren med fem porte designet af PSE-siden af en industriel Ethernet-forbindelse. (Billedkilde: Analog Devices)

Ved hjælp af Analog Devices' EVAL-SPoE-KIT-AZ-evalueringskit kan udviklere hurtigt få erfaring med PSE-controllere. Sættet gør det muligt for designere at studere en komplet IEEE 802.3-kompatibel SPoE-applikation. Den leveres med LTC4296-1- og LTC9111-baserede bundkort, som hver især indeholder ADIN1100-baserede plugin-skærme, der forbindes via et SPE-kabel (figur 6).

Figur 6: Evalueringskittet EVAL-SPoE-KIT-AZ indeholder et komplet sæt hardwarekort og kabler til evaluering af en SPoE-applikation baseret på LTC4296-1 PSE- og LTC9111 PD-controllere og en ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY-enhed. (Billedkilde: Analog Devices)

Selvom LTC4296-1 PSE-controlleren, LTC9111 PD-controlleren og ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY-enheden muliggør hurtig implementering af IEEE 802.3cg-kompatible SPoE-løsninger, er der en anden løsning fra Analog Devices, der opfylder behovet for aktive klemmecontrollere.

Aktivt fastspændt PWM-regulator

Analog Devices' enheder i MAX5974-serien er designet til at forbedre effektiviteten af forsyningskilder i PoE PD-applikationer og er aktivt fastspændte, spredt spektrum, strømtilstand pulsbreddemodulationen (PWM)-controllere. Enhederne i MAX5974-serien tilbydes i flere varianter. For eksempel er MAX5974D designet til at understøtte udgangsregulering ved hjælp af traditionel optokobler-feedback. I modsætning hertil er MAX5974B designet til at understøtte udgangsregulering uden en optokobler, samtidig med at den koblede induktansudgang kan aflede omformerens forsyningsindgang (IN) (figur 7).

Figur 7: Analog Devices' MAX5974B forenkler designet af active-clamp konvertere ved at eliminere optokoblere i tilbagekoblingen og aflede konverterens indgangsspænding (IN) fra den koblede induktors udgang. (Billedkilde: Analog Devices)

Feedforward-clampen med maksimal arbejdscyklus, der er integreret i MAX5974-enhederne, sikrer, at den maksimale clampspænding forbliver uafhængig af netspændingen under transiente forhold. Enhedens cyklus-for-cyklus-strømbegrænsning hjælper yderligere med at beskytte følsom elektronik. Når enheden registrerer, at spidsstrømsgrænsen er nået og opretholdt efter en vis tid, slukker den midlertidigt for hovedkontaktens gate-drive-udgang (NDRV) og den aktive klemmekontakts gate-drive-udgang (AUXDRV), så overbelastningsstrømmen kan forsvinde, før der forsøges en blød start.

Anvendelse af en bred tilgang til overspændingsbeskyttelse

Disse produkter muliggør en bred tilgang til overspændingsbeskyttelse i Ethernet-netværk. ADIN1100 sikrer lang rækkevidde og lavt strømforbrug og fungerer som et robust fundament for netværket. Controllerne LTC9111 og LTC4296 arbejder sammen om at styre strømforsyningen og beskytte mod overspænding på både PD- og PSE-niveau. MAX5974 supplerer dette setup ved at sikre effektiv effektkonvertering og reducere risikoen for energispild under overspændingshændelser.

Ved at implementere disse produkter sammen kan udviklere forbedre overspændingsbeskyttelsen i Ethernet-netværk betydeligt. Denne integrerede tilgang beskytter hardwaren og sikrer uafbrudt kommunikation og driftskontinuitet.

Konklusion

Ethernet giver store fordele til industriel kommunikation, men lange kabelstrækninger gør følsom elektronik sårbar over for overspænding. Ved hjælp af et sæt enheder og udviklingsressourcer fra Analog Devices kan udviklere hurtigt implementere Ethernet-forbindelse, der er i stand til at modstå virkningerne af overspændingshændelser.