Hoe Ethernet-netwerken beschermen tegen piekspanningen

Nu Ethernet de ruggengraat van industriële communicatie wordt, vormt de gevoeligheid van de infrastructuur voor piekspanningen, zoals blikseminslag, een kritieke uitdaging. Dergelijke incidenten kunnen aardlussen en magnetisch gekoppelde spanningen veroorzaken, waardoor operationele technologiesystemen beschadigd kunnen raken.

Om de systeemintegriteit en functionaliteit van op Ethernet aangesloten apparaten te behouden, hebben ontwikkelaars een robuuste oplossing nodig om gevoelige elektronica af te schermen van destructieve energieoverdracht.

In dit artikel wordt kort beschreven hoe spanningspieken elektronische systemen beïnvloeden. Vervolgens worden beveiligingsapparaten van Analog Devices geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze kunnen worden gebruikt om piekspanningen te beperken.

Hoe piekspanningen elektronische systemen beïnvloeden

Overspanningen kunnen door verschillende factoren ontstaan, waarbij bliksem de meest dramatische en destructieve is. Zelfs kilometers verderop kan een blikseminslag aardlussen en magnetisch gekoppelde spanningen in elektronische systemen veroorzaken. Deze kortstondige overspanning kan gevoelige elektronica beschadigen en kritieke activiteiten verstoren.

De impact van piekspanningen op elektronische systemen gaat verder dan een tijdelijke storing. Deze overdracht van hoge energie kan onomkeerbare schade aan het circuit veroorzaken, wat leidt tot dure reparaties en systeemuitval. In Ethernet-netwerken kunnen piekspanningen schade veroorzaken aan de netwerkhardware en aangesloten apparaten, wat kan leiden tot gegevensverlies, verminderde systeemprestaties en zelfs volledige systeemuitval.

De gevoeligheid van Ethernet-infrastructuur voor piekspanningen komt voort uit het grote bereik en de onderlinge verbondenheid. Als Ethernet-kabels lange afstanden afleggen, pikken ze elektromagnetische storingen uit de omgeving op, waaronder geïnduceerde spanningen en stromen van een piekstroom, die apparaten bereiken die ogenschijnlijk geïsoleerd zijn van het punt van de piekstroom (Afbeelding 1a).

Afbeelding 1: Een onbeschermde Ethernet-installatie is gevoelig voor piekspanningen die door gevoelige elektronica gaan (a), maar het gebruik van ontwerpmethodes voor piekstroombeveiliging, zoals afschermingsvlakken, kan een veilig pad voor piekstromen bieden (b). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ontwikkelaars moeten robuuste overspanningsbeveiligingen implementeren om gevoelige elektronica te beschermen tegen deze overdrachten van hoge energie, zodat de integriteit en functionaliteit van het systeem gewaarborgd blijft. Dit omvat het beschermen van kritieke punten in het netwerk met overspanningsbeveiligingen die in staat zijn de overtollige energie weg te leiden van gevoelige componenten, door deze te aarden of veilig af te voeren met technieken zoals scheidingsvlakken (Afbeelding 1b).

Om overspanningsbeveiliging in hun aangesloten apparaten in te bouwen, vertrouwen ontwikkelaars op geavanceerde ontwerpmethodes zoals spanningsklemmen met behulp van een transiënte spanningsonderdrukker (TVS), isolatiebenaderingen, hoogfrequente filtering en andere technieken. Tegelijkertijd vereist succesvolle overspanningsbeveiliging een combinatie van deze technieken met gespecialiseerde componenten, waaronder Ethernet apparaten voor de fysieke laag (PHY), controllers en stroomvoorzieningsapparatuur die is ontworpen om de spanningen veroorzaakt door piekspanningen te beheersen.

Een reeks oplossingen van Analog Devices is specifiek ontworpen om overspanningsbeveiligingsontwerpmethodes te ondersteunen en tegelijkertijd te voldoen aan de gespecialiseerde vereisten voor robuuste functionaliteit in Ethernet-apparaten.

Overspanningsbeveiliging inbouwen in Ethernet-netwerken

Voor organisaties die overstappen van legacycommunicatie op Ethernet-gebaseerde connectiviteit, biedt de opkomst van de 10BASE-T1L fysieke Ethernet-laag standaard de kritieke link die nodig is om randapparatuur op afgelegen en gevaarlijke locaties in de fabriek te verbinden met behulp van de IEEE 802.3cg-standaard voor 10 megabit per seconde (Mbps) single-pair Ethernet-kabel (SPE). De ADIN1100 van Analog Devices is ontworpen om deze standaarden te ondersteunen en is een single-port zendontvanger met laag stroomverbruik die Ethernet-connectiviteit ondersteunt op afstanden tot 1.700 meter (m). De ADIN1100 verbruikt slechts 39 milliwatt (mW) en combineert een uitgebreide functionele architectuur met een hardware-interface die is ontworpen om het aansluiten van een hostprocessor op een Ethernet-netwerk te vereenvoudigen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De ADIN1100 biedt een complete 10BASE-T1L PHY die de overgang van industriële systemen naar Ethernet-netwerken vereenvoudigt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het ontwerp van de overspanningsbeveiliging van de ADIN1100 met geïntegreerde voedingsbewaking en power-on-reset (POR) circuits draagt bij aan de robuustheid van het systeem en zorgt voor een stabiele werking, zelfs onder onstabiele omstandigheden. Met het evaluatiebord EVAL-ADIN1100-EBZ van Analog Devices kunnen ontwikkelaars snel de prestaties van de ADIN1100 beoordelen en extra overspanningsbeveiligingsmechanismen onderzoeken.

Samen met LED-statusindicators, knoppen en interfaceaansluitingen biedt het evaluatiebord testpunten, een klein prototypegebied om alternatieve kabelaansluitingen te onderzoeken en optionele scheidingstransformators of inductors voor vermogenskoppeling (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 vereenvoudigt de evaluatie van de prestaties van de ADIN1100 en het experimenteren met ontwerpmechanismen voor overspanningsbeveiliging. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Apparaatcontroller voor industrieel Ethernet

De Analog Devices LTC9111 is ontworpen voor industriële SPE-toepassingen en is een IEEE 802.3cg-compatibele, single-pair SPoE-gevoede apparaatcontroller (Power over Ethernet) met een breed werkbereik van 2,3 tot 60 volt. Het apparaat ondersteunt het classificatieprotocol voor seriële communicatie (SCCP) in systemen waarbij het gevoede apparaat (PD) en de stroomvoorzieningsapparatuur (PSE) informatie delen over de vereiste stroomklassen.

Met zijn ondersteuning voor IEEE 802.3cg is de LTC9111 gebouwd om het effect van piekspanningen te verminderen, maar ontwikkelaars die het apparaat gebruiken in piekspanningsgevoelige toepassingen kunnen een spanningsklem zoals een TVS-diode inbouwen. Een TVS in combinatie met de ADIN1100 biedt een effectieve oplossing voor het implementeren van SPoE-oplossingen die over grotere afstanden kunnen werken (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: In combinatie met de ADIN1100 vereenvoudigt de LTC9111 SPoE-ontwerpen. Er zijn slechts een paar extra componenten nodig om de gevoede kant van een Industrial Ethernet-verbinding te voltooien. (Bron afbeelding: Analog Devices)

SPoE PSE-controller

Voor de stroomvoorzieningskant van een 802.3cg-conforme toepassing is de LTC4296-1 een SPoE PSE-controller met vijf poorten, ontworpen voor interoperabiliteit met 802.3cg PD's in 24- of 54-voltsystemen. Met een ingangsspanningsbereik van 6 tot 60 volt ondersteunt het apparaat een uitgebreide reeks beveiligingsmogelijkheden, waaronder het gebruik van externe N-kanaals MOSFET's, terugslag analoge stroombegrenzing (ACL), instelbare elektronische bron- en retourstroomonderbrekers en meer. Voor extra overspanningsbeveiliging kunnen ontwikkelaars een TVS-diode toevoegen, zoals de Littelfuse SMAJ58A om voedingspieken te beperken (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Als aanvulling op de LTC9111 PD-controller vereenvoudigt de LTC4296-1 vijfpoorts SPoE-controller het ontwerp van de PSE-zijde van een Industrial Ethernet-verbinding. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Met de EVAL-SPoE-KIT-AZ-evaluatiekit van Analog Devices kunnen ontwikkelaars snel ervaring opdoen met PSE-controllers. De kit stelt ontwerpers in staat om een complete IEEE 802.3-compliant SPoE-toepassing te bestuderen. Het wordt geleverd met moederborden op basis van LTC4296-1 en LTC9111, elk met pluginschilden op basis van ADIN1100 die via een SPE-kabel worden aangesloten (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De EVAL-SPoE-KIT-AZ-evaluatiekit biedt een complete set hardware borden en kabels voor het evalueren van een SPoE-toepassing op basis van de LTC4296-1 PSE- en LTC9111 PD-controllers en een ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY-apparaat. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hoewel de LTC4296-1 PSE-controller, LTC9111 PD-controller en ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY-apparaat een snelle implementatie van IEEE 802.3cg-conforme SPoE-oplossingen mogelijk maken, voorziet een andere oplossing van Analog Devices in de behoefte aan actieve klemcontrollers.

Actief geklemde PWM-controller

De MAX5974-serie apparaten van Analog Devices is ontworpen om de efficiëntie van voedingsbronnen in PoE PD-toepassingen te verbeteren. Het zijn actief-geklemde, spreadspectrum, stroommode pulsbreedtemodulatie (PWM) controllers. De apparaten uit de MAX5974-serie zijn verkrijgbaar in meerdere varianten. De MAX5974D is bijvoorbeeld ontworpen om uitgangsregeling te ondersteunen met behulp van traditionele optocoupler-feedback. Daarentegen is de MAX5974B ontworpen voor uitgangsregeling zonder optocoupler, terwijl de gekoppelde inductoruitgang kan worden afgeleid van de voedingsingang (IN) van de convertor (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De MAX5974B van Analog Devices vereenvoudigt het ontwerp van actief-geklemde convertors door optocouplers in de terugkoppeling te elimineren en de ingangsspanning (IN) van de convertor af te leiden van de uitgang van de gekoppelde spoel. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De feed-forward, maximale duty-cycle klem die is geïntegreerd in MAX5974-apparaten zorgt ervoor dat de maximale klemspanning onafhankelijk blijft van de lijnspanning tijdens transiënte omstandigheden. De cyclus-per-cyclus stroombegrenzing van het apparaat helpt om gevoelige elektronica verder te beschermen. Wanneer het apparaat detecteert dat de piekstroomlimiet is bereikt en langer dan een drempelwaarde duurt, schakelt het de gate-drive-uitgang van de hoofdschakelaar (NDRV) en de gate-drive-uitgang van de actieve klemschakelaar (AUXDRV) tijdelijk uit, zodat de overbelastingsstroom kan wegvloeien voordat een zachte start wordt geprobeerd.

Een brede benadering van overspanningsbeveiliging toepassen

Deze producten maken een brede aanpak van overspanningsbeveiliging in Ethernet-netwerken mogelijk. De ADIN1100 zorgt voor een groot bereik en een laag stroomverbruik en vormt een robuuste basis voor het netwerk. De LTC9111- en LTC4296-controllers werken samen om de stroomtoevoer te beheren en te beschermen tegen pieken op zowel PD- als PSE-niveau. De MAX5974 vult deze opzet aan door te zorgen voor efficiënte stroomconversie en door de kans op energieverspilling tijdens piekspanningen te verkleinen.

Door deze producten gecoördineerd te implementeren, kunnen ontwikkelaars de overspanningsbeveiligingsmogelijkheden van Ethernet-netwerken aanzienlijk verbeteren. Deze geïntegreerde aanpak beschermt de hardware en zorgt voor ononderbroken communicatie en operationele continuïteit.

Conclusie

Ethernet biedt aanzienlijke voordelen voor industriële communicatie, maar lange kabeltrajecten maken gevoelige elektronica kwetsbaar voor piekspanningen. Met behulp van een reeks apparaten en ontwikkelingshulpmiddelen van Analog Devices kunnen ontwikkelaars snel Ethernet-connectiviteit implementeren die bestand is tegen de effecten van piekspanningen.