Túlfeszültségek hatásainak csillapítása Ethernet hálózatokban

Mivel az Ethernet egyre inkább az ipari kommunikáció gerincévé válik, az infrastruktúra érzékenysége a túlfeszültségekkel – például a villámcsapásokkal – szemben egy olyan probléma, amellyel feltétlenül foglalkozni kell. Az ilyen események hatására földhurkok és mágnesesen indukált feszültségek keletkezhetnek, amelyek következtében az operatív technológiai rendszerek akár teljesen le is bénulhatnak.

Ethernet-hálózatra kapcsolt eszközök és rendszerek integritásának és működésük fenntartásához a fejlesztőknek robusztus megoldásra van szükségük, amely megfelelő védelmet nyújt az érzékeny elektronikai áramkörök számára a destruktív áramlökésekkel szemben.

Ez a cikk a túlfeszültségek (tranziensek) elektronikus rendszerekre gyakorolt hatását ismerteti röviden. Ezután bemutat néhány túlfeszültségvédő eszközt az Analog Devices-től, azzal együtt, hogyan használhatók fel az áramlökések hatásainak csillapítására.

A túlfeszültségek hatása az elektronikus rendszerekre

Túlfeszültséget több tényező is okozhat, melyek közül a villámlás a legdrámaibb és a legpusztítóbb. Egy villámcsapás akár több kilométeres távolságban is földhurkokat és mágnesesen indukált feszültséget hozhat létre az elektronikus rendszerekben, és ez az átmeneti túlfeszültség fizikailag károsíthatja az érzékeny elektronikai áramköröket valamint zavarokat okozhat a kritikus működésben.

Ha az elektronikus rendszereket nagyerejű lökőfeszültség éri, akkor annak következménye nem csupán átmeneti meghibásodást lehet. Ezek a nagy energiájú átvitelek visszafordíthatatlan károkat okozhatnak az áramkörökben, ami költséges javításokhoz és a rendszer leállásához vezethet. Ethernet-hálózatokban a tranziensek károsíthatják a hálózati hardverelemeket és a hálózatra csatlakoztatott eszközöket, ami adatvesztéshez, a rendszer teljesítményének csökkenéséhez vagy akár teljes rendszerösszeomláshoz vezethet.

Az Ethernet-infrastruktúra azért olyan érzékeny a túlfeszültségekkel szemben, mert fizikailag terjedelmes, továbbá ehhez az eszközök összekapcsoltsága is hozzájárul. A nagy távolságokat áthidaló Ethernet-kábelek elektromágneses zavarokat vesznek fel a környezetből, beleértve a tranziensek által indukált feszültségeket és áramokat, amelyek így elérik a túlfeszültségtől látszólag elszigetelt eszközöket is (1a. ábra).

1. ábra: Egy nem védett Ethernet-eszköz érzékeny az elektronikai áramköreire kerülő túlfeszültséggel szemben (a), de túlfeszültség-védelmi módszerek, például védősíkok alkalmazásával biztonságos áramlevezető út biztosítható (b) (kép: Analog Devices)

A fejlesztőknek hatékony túlfeszültségvédelmi módszereket kell alkalmazniuk, hogy védjék az érzékeny elektronikai áramköröket ezektől a nagy energiájú áramlökésektől, biztosítva a rendszer épségét és működőképességét. Ez abból áll, hogy a hálózat kritikus pontjait olyan túlfeszültség-védelmi eszközökkel kell védeni, amelyek a többlet energiát el tudják vezetni az érzékeny alkatrészektől, akár a földbe vezetéssel, vagy pedig annak biztonságos disszipálásával, például védősíkok segítségével (1b. ábra).

Hálózati eszközök esetén a túlfeszültség-védelem beépítésekor a fejlesztők korszerű konstrukciós lehetőségekre támaszkodhatnak, például az energiát egy adott szintre korlátozó tranziens szupresszorokra (TVS), izolációs megoldásokra, nagyfrekvenciás szűrésre és más módszerekre. Ugyanakkor a túlfeszültségek elleni sikeres védelemhez ezek a módszerek mellett speciális komponenseket is alkalmazni kell, ideértve az Ethernet fizikai rétegét (PHY) alkotó eszközöket, a vezérlőket és az áramforrás-berendezéseket, amelyeket a túlfeszültségek hatásainak elviselésére terveztek.

Az Analog Devices egy egész sor kifejezetten túlfeszültség-védelemre tervezett megoldást kínál, melyek az Ethernet-kapcsolattal rendelkező eszközök robusztus működésére vonatkozó speciális követelményeknek is megfelelnek.

Túlfeszültség elleni védelem beépítése Ethernet hálózatokba

A korábbi hagyományos kommunikációs módszerekről az Ethernet-alapú hálózatokra áttérő szervezetek számára a fizikai rétegre vonatkozó 10BASE-T1L Ethernet-szabvány megjelenése biztosította azt a kritikus áttörést, amelynek segítségével a gyárakon belüli távoli és veszélyes helyeken lévő peremhálózati eszközökkel való kapcsolat megvalósítása az IEEE 802.3cg szabványra épülő 10 Mb/s sebességű egy érpáras Ethernet (SPE) kábellel lehetségessé vált. Az Analog Devices ADIN1100 integrált áramköre egy alacsony fogyasztású, egycsatornás adó-vevő, melynek kialakítása megfelel ezeknek a szabványoknak, és akár 1700 méteres távolságú Ethernet-kapcsolatokat is támogat. A mindössze 39 mW fogyasztású ADIN1100 átfogó funkcionális architektúrával rendelkezik, melyet egy olyan hardveres csatlakozási felülettel kombinál, amelyeket úgy terveztek, hogy egyszerűsítse egy gazdaprocesszor Ethernet-hálózathoz való csatlakoztatását (2. ábra).

2. ábra: Az ADIN1100 egy 10BASE-T1L szabványnak megfelelő teljes fizikai réteget (PHY-t) biztosít, ami leegyszerűsíti az ipari rendszerek Ethernet-hálózatokra való átállását (kép: Analog Devices)

Az ADIN1100 a túlfeszültség-védelemre szabott kialakításán túlmenően integrált tápellátás-felügyelettel és bekapcsolási reset (POR, Power On Reset) áramkörrel járul hozzá a rendszer robusztusságához, biztosítva a stabil működést még változékony körülmények között is. Az Analog Devices EVAL-ADIN1100-EBZ fejlesztői kártyájával a fejlesztők gyorsan felmérhetik az ADIN1100 képességeit és további túlfeszültségvédelmi lehetőségek felfedezésében merülhetnek el.

A LED-es állapotjelzők, gombok és csatlakozófelületek mellett a fejlesztői kártya tesztelési pontokat és egy kis prototípus-területet is biztosít alternatív kábelcsatlakozási lehetőségek vizsgálatához, valamint opcionális leválasztó transzformátorokat vagy teljesítménycsatoló induktivitásokat (3. ábra).

3. ábra: Az EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 egyszerűsíti az ADIN1100 működésének és képességeinek kiértékelését és a túlfeszültség-védelmi mechanizmusokkal való kísérletezést (kép: Analog Devices)

Ipari Ethernet kábelen keresztül táplált eszközvezérlő

Az Analog Devices ipari SPE-áramkörökhöz tervezett LTC9111-e egy IEEE 802.3cg-kompatibilis, egy érpáros SPoE (Single-pair Power over Ethernet) szabvány szerinti tápellátású eszközvezérlő, amely széles, 2,3 – 60 volt közötti működési tartományban működik. Az eszköz támogatja a SCCP protokoll (serial communication classification protocol) szerinti működést olyan rendszerekben, ahol a táplált eszköz (PD) és a tápellátó berendezés (PSE) megosztják egymással a szükséges teljesítményosztályokra vonatkozó adatokat.

Az IEEE 802.3cg szabvány támogatásával az LTC9111 úgy van kialakítva, hogy csökkentse a túlfeszültségek hatását, de az eszközt túlfeszültségre érzékeny rendszerekben használó fejlesztők egy feszültségszint-korlátozót, például egy TVS-diódát is beépíthetnek. Az ADIN1100-t egy szupresszor (TVS) eszközzel kombinálva a nagyobb távolságokat áthidaló SPoE-rendszerek hatékonyan védhetők (4. ábra).

4. ábra: Az ADIN1100 és az LTC9111 kombinált használatával az SPoE-konstrukciók egyszerűsíthetők, mivel csak néhány további alkatrészre van szükség ahhoz, hogy az áramellátást ipari Ethernet-kapcsolaton keresztül fogadó PD oldali rész teljes legyen (kép: Analog Devices)

SPoE PSE-vezérlő

A 802.3cg-kompatibilis rendszerek tápellátási részéhez tartozó komponensként, az LTC4296-1 egy ötcsatornás SPoE PSE-vezérlő, amelyet a 802.3cg-nek megfelelő táplált (PD) eszközökkel való interoperabilitásra terveztek 24 vagy 54 voltos rendszerekben. A 6 és 60 volt közötti bemeneti feszültségtartománnyal rendelkező eszköz széleskörű védelmi képességeket támogat, beleértve a külső N-csatornás MOSFET-ek használatát, az analóg áramhatárérték visszafogását (foldback analog current limit, ACL), az állítható forrás- és visszatérő elektronikus megszakítókat és még sok mást. A további túlfeszültség-védelemhez a fejlesztők egy TVS-diódával, például a Littelfuse SMAJ58A-val is bővíthetik a kialakítást a tápellátási feszültségtüskék mérséklésére (5. ábra).

5. ábra: Az LTC9111 PD-vezérlő kiegészítéseként az ötcsatornás LTC4296-1 SPoE-vezérlő ipari Ethernet-kapcsolatoknál egyszerűsíti a tápellátási (PSE) rész megtervezését (kép: Analog Devices)

Az Analog Devices EVAL-SPoE-KIT-AZ fejlesztőkészletének használatával a fejlesztők gyorsan kitapasztalhatják a PSE-vezérlő működését. A készlet lehetővé teszi a tervezők számára egy IEEE 802.3 szabványnak megfelelő teljes SPoE-rendszer tanulmányozását. A készletben lévő LTC4296-1 és LTC9111 alapú alaplapok mindegyike ADIN1100 alapú, SPE-kábelen keresztül csatlakozó beépülő modulokat tartalmaz (6. ábra).

6. ábra: Az EVAL-SPoE-KIT-AZ fejlesztőkészlet teljes kártya- és kábelkészletet biztosít az LTC4296-1 PSE és LTC9111 PD vezérlőkön és egy ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY eszközön alapuló SPoE-rendszer tanulmányozásához (kép: Analog Devices)

Amíg az LTC4296-1 PSE vezérlő, az LTC9111 PD vezérlő és az ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY az IEEE 802.3cg szabványnak megfelelő SPoE megoldások gyors megvalósítását teszi lehetővé, egy másik Analog Devices megoldás az aktív amplitúdókorlátozós vezérlők iránti igényt elégíti ki.

PWM vezérlő aktív amplitúdókorlátozással

Az Analog Devices MAX5974 sorozatához tartozó eszközök a PoE-rendszerekben a táplált eszközt (PD-t) ellátó tápforrások hatásfokának növelésére tervezett, aktív amplitúdókorlátozós, szórt spektrumú, áramvezérelt impulzusszélesség-modulációs (PWM) vezérlők. A MAX5974 sorozatú eszközöket többféle változatban kínálják. Az MAX5974D például úgy van kialakítva, hogy támogassa a kimenet hagyományos, optocsatolós visszacsatolással történő szabályozását. Ezzel szemben az MAX5974B-t úgy tervezték, hogy a kimenet szabályozása optocsatoló nélkül történjen, úgy, hogy a csatolt induktivitás kimenete az átalakító tápbemenetére (IN) kerül (7. ábra).

7. ábra: Az Analog Devices MAX5974B IC-je egyszerűsíti az aktív amplitúdókorlátozást használó átalakítók kialakítását azáltal, hogy elhagyja a visszacsatoló ágból az optocsatolókat, és az átalakító bemeneti (IN) feszültségét a csatolt induktivitás kimenetéről származtatja (kép: Analog Devices)

A MAX5974 IC-kbe integrálva, a bekapcsolt állapot maximális időtartamát korlátozó, pozitív visszacsatolásos áramkör (feed-forward maximum duty-cycle clamp) biztosítja, hogy a korlátozott feszültség maximális értéke független maradjon a hálózati feszültségtől tranziensek esetén. Mivel az áramerősség-figyelés ciklikusan (minden ciklusban) történik, ezen képességének köszönhetően az eszköz további védelmet nyújt az érzékeny elektronikai áramköröknek. Amikor érzékeli, hogy az áramerősség elérte a felső határértéket, és ez az állapot egy megadott időtartamig fennáll, ideiglenesen kikapcsolja a fő kapuvezérlő kimenetet (NDRV) és az aktív amplitúdókorlátozó kapuvezérlő kimenetet (AUXDRV), lehetővé téve a túláram disszipálódását a lágyindítás megkísérlése előtt.

Túlfeszültség elleni védelem széleskörű megvalósítási lehetőségekkel

A fent bemutatott termékek széleskörű megközelítést engedélyeznek az Ethernet-hálózatok túlfeszültségekkel szembeni védettségének megvalósítása terén. Az ADIN1100-nak köszönhetően nagy távolságok hidalhatók át, alacsony fogyasztású működést biztosít, és robosztus alapot képez a hálózat számára. Az LTC9111 és az LTC4296 vezérlők együttesen végzik az áramellátás biztosítását, valamint védelmet nyújtanak a túlfeszültségek ellen mind a táplált eszköz (PD), mind az áramforrás (PSE) szintjén. Az MAX5974 kiegészíti ezt a felállást azzal, hogy hatékony teljesítmény-átalakítást biztosít, és csökkenti az energiapazarlás lehetőségét túlfeszültségek során.

E termékek összehangolt alkalmazásával a fejlesztők jelentősen feljavíthatják a túlfeszültségekkel szembeni védettséget Ethernet-hálózatokban. Ez az integrált megközelítés védi a hardvert, és biztosítja a megszakítás nélküli kommunikációt és a működés folyamatosságát.

Összegzés

Az Ethernet jelentős előnyöket kínál az ipari kommunikációban, de a hosszú kábelek miatt az érzékeny elektronikai áramköröket potenciálisan romboló hatású túlfeszültségek érhetik. Az Analog Devices integrált áramköreinek és fejlesztőeszközeinek használatával a fejlesztők olyan Ethernet-kapcsolatokat tudnak megvalósítani rövid idő alatt, amelyek védettek a túlfeszültségekkel szemben.