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如何保护以太网免受电涌事件的影响

eeDesign 来源:Stephen Evanczuk 作者:Stephen Evanczuk 2024-04-24 17:59 次阅读

以太网成为工业通信的支柱,其基础设施对电涌事件(如雷击)的敏感性构成了严峻挑战。这种事故会引起接地回路和磁耦合电压,可能会使操作技术系统瘫痪。

为了保持以太网连接设备的系统完整性和功能性,开发人员需要一种强大的解决方案来保护敏感电子设备免受破坏性能量传输的影响。

本文简要介绍电涌如何影响电子系统。然后,它引入了来自的保护设备ADI公司并展示了如何使用它们来减轻喘振事件。

浪涌事件如何影响电子系统

浪涌事件可能由多种因素引起,其中闪电是最具戏剧性和破坏性的。即使在几英里之外,雷击也会在电子系统中引起接地回路和磁耦合电压。这种瞬态过电压会损坏敏感的电子设备并中断关键操作。

电涌事件对电子系统的影响不仅仅是暂时的故障。这些高能转移会对电路造成不可逆的损坏,导致昂贵的维修和系统停机。在以太网中,浪涌事件会损坏网络硬件和连接的设备,导致数据丢失、系统性能下降,甚至整个系统发生故障。

以太网基础设施易受电涌事件的影响源于其广泛的覆盖范围和互联性。以太网电缆长距离传输时,会从环境中拾取电磁干扰,包括浪涌事件产生的感应电压和电流,到达看似与浪涌点隔离的设备(图1a)。

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图1:未受保护的以太网安装容易受到流经敏感电子设备的浪涌事件的影响(a),但使用保护层等浪涌保护设计方法可以为浪涌电流提供安全路径(b)。(图片来源:ADI公司)

开发人员必须实施强大的浪涌保护措施,保护敏感电子器件免受这些高能量传输的影响,确保系统的完整性和功能性。这包括使用浪涌保护器件保护网络中的关键点,浪涌保护器件能够将多余的能量从敏感元件转移出去,方法是将其接地或使用保护层等技术安全地耗散掉多余的能量(图1b)。

为了帮助在连接的设备中构建浪涌保护,开发人员依赖先进的设计方法,例如使用瞬态电压抑制器(TVS)的电压箝位、隔离方法、高频滤波和其他技术。同时,成功的电涌保护需要将这些技术与专门的组件相结合,包括以太网物理层(PHY)设备、控制器电源设备,用于管理电涌事件引起的压力。

ADI公司的一套解决方案专为支持浪涌保护设计方法而设计,同时满足以太网连接设备对稳定功能的特殊要求。

在以太网中构建电涌保护

对于从传统通信过渡到基于以太网的连接的组织来说,10BASE-T1L物理层以太网标准的出现为使用10兆位/秒(Mbps)单对以太网(SPE)电缆的IEEE 802.3cg标准连接工厂内远程和危险位置的边缘设备提供了所需的关键链路。ADI公司专为支持这些标准而设计ADIN1100是一款低功耗、单端口收发器,支持最远1,700米(m)的以太网连接。ADIN1100的功耗仅为39毫瓦(mW),将全面的功能架构与硬件接口相结合,旨在简化主机处理器与以太网的连接(图2)。

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图ADIN1100提供完整的10BASE-T1L PHY,简化了工业系统向以太网的过渡。(图片来源:ADI公司)

ADIN1100的浪涌保护设计集成电源监控和上电复位(POR)电路,有助于提高系统稳定性,确保即使在动荡条件下也能稳定工作。ADI公司的EVAL-阿丁1100-EBZ评估板,开发人员可以快速评估ADIN1100的性能并探索额外的浪涌保护机制。

LED状态指示灯、按钮和接口连接外,评估板还提供测试点、用于检查替代电缆连接方法的小型原型制作区域以及可选的隔离变压器或电源耦合电感(图3)。

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图3:EVAL-ADIN1100-EBZ adin 1100简化了对adin 1100性能的评估以及浪涌保护设计机制的实验。(图片来源:ADI公司)

工业以太网供电的设备控制器

ADI公司专为工业SPE应用而设计LTC9111是一款符合IEEE 802.3cg标准的单对以太网供电(SPoE)设备控制器,具有2.3至60伏的宽工作电压范围。在用电设备(PD)和电源设备(PSE)共享所需电源等级信息的系统中,该器件支持串行通信分类协议(SCCP)。

LTC9111支持IEEE 802.3cg,旨在降低浪涌事件的影响,但在浪涌敏感应用中使用该器件的开发人员可以使用TVS二极管等电压箝位器件。TVS与ADIN1100相结合,为实施可远距离工作的SPoE解决方案提供了有效的解决方案(图4)。

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图LTC9111与ADIN1100相结合,简化了SPoE设计,只需少量额外元件即可完成工业以太网连接的受电设备端。(图片来源:ADI公司)

斯波PSE控制器

对于802.3cg兼容应用的电源端LTC4296-1是一款五端口SPoE PSE控制器,旨在与24或54伏系统中的802.3cg PDs实现互操作性。该器件具有6至60伏的输入电压范围,支持一系列广泛的保护功能,包括使用外部N沟道MOSFETs、折返模拟限流(ACL)、可调源和回路电子断路器等。为了提供额外的浪涌保护,开发人员可以添加一个TVS二极管,例如利特福斯 SMAJ58A缓解供应高峰(图5)。

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图5:作为LTC9111 PD控制器的补充,LTC4296-1五端口SPoE控制器简化了工业以太网连接PSE端的设计。(图片来源:ADI公司)

使用ADI公司的产品EVAL-斯波-基特-阿兹评估套件,开发人员可以快速获得PSE控制器的经验。该套件使设计人员能够研究完整的符合IEEE 802.3标准的SPoE应用。它配备了基于LTC4296-1和LTC9111的主板,每个主板都托管通过SPE电缆连接的基于ADIN1100的插件屏蔽(图6)。

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图6:EVAL SPoE-KIT-AZ评估套件提供了一整套硬件板和电缆,用于评估基于LTC4296-1 PSE和LTC9111 PD控制器以及ADIN1100 10BASE-T1L以太网PHY器件的SPoE应用。(图片来源:ADI公司)

虽然LTC4296-1 PSE控制器、LTC9111 PD控制器和ADIN1100 10BASE-T1L以太网PHY器件支持快速实施符合IEEE 802.3cg标准的SPoE解决方案,但ADI公司的另一种解决方案可以满足有源箝位控制器的需求。

有源箝位PWM控制器

ADI公司旨在提高PoE PD应用中电源的效率MAX5974系列器件是有源箝位扩频电流模式脉宽调制(PWM)控制器。MAX5974系列设备有多种型号。例如,在MAX5974D旨在利用传统光耦合器反馈支持输出调节。相比之下MAX5974B旨在支持无光耦合器的输出调节,同时使耦合电感输出能够获得转换器电源输入(IN)(图7)。

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图7:ADI公司的MAX5974B消除了反馈中的光耦合器,并从耦合电感输出获得转换器输入(in)电压,从而简化了有源箝位转换器设计。(图片来源:ADI公司)

MAX5974器件集成的前馈最大占空比箝位电路可确保最大箝位电压在瞬态条件下不受线路电压影响。该器件的逐周期限流功能有助于进一步保护敏感电子器件。当器件检测到达到峰值电流限值并持续超过阈值持续时间时,它会暂时关断主开关栅极驱动输出(NDRV)和有源箝位开关栅极驱动输出(AUXDRV),让过载电流消散后再尝试软启动。

采用广泛的电涌保护方法

这些产品为以太网中的电涌保护提供了一种广泛的方法。ADIN1100可确保长距离和低功耗运行,为网络奠定坚实的基础。LTC9111和LTC4296控制器协同工作,管理功率传输并在PD和PSE级别提供浪涌保护。MAX5974通过确保有效的功率转换和减少浪涌事件期间的潜在能源浪费来补充这一设置。

通过协调实施这些产品,开发人员可以显著增强以太网的浪涌保护能力。这种集成方法保护了硬件,并确保了不间断的通信和操作连续性。

结论

以太网为工业通信提供了显著的优势,但过长的电缆布线使敏感的电子设备容易受到浪涌事件的影响。利用ADI公司的一系列器件和开发资源,开发人员可以快速实现能够抵御浪涌事件影响的以太网连接。

审核编辑 黄宇

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