Slik kan Ethernet-nettverk beskyttes mot overstrømshendelser

Nå som Ethernet er i ferd med å bli ryggraden i industriell kommunikasjon, utgjør infrastrukturens følsomhet for overstrømmer, for eksempel lynnedslag, en svært kritisk utfordring. Slike hendelser kan indusere jordsløyfer og magnetisk koblede spenninger, noe som potensielt kan lamme systemer med driftsteknologisk utstyr.

For å opprettholde systemintegriteten og funksjonaliteten til Ethernet-tilkoblede enheter, trenger utviklere en robust løsning for å beskytte sensitiv elektronikk mot destruktive energioverføringer.

Denne artikkelen beskriver kort hvordan overstrømmer påvirker elektroniske systemer. Den introduserer deretter beskyttelsesanordninger fra Analog Devices og viser hvordan disse kan brukes til å redusere overstrømmer.

Slik påvirker overstrømshendelser elektroniske systemer

Overstrømshendelser kan oppstå på grunn av flere forskjellige faktorer, der lynnedslag er den mest dramatiske og destruktive. Selv flere kilometer unna kan et lynnedslag indusere jordsløyfer og magnetisk koblede spenninger i elektroniske systemer. Denne forbigående overstrømmen kan skade sensitiv elektronikk og forstyrre kritiske funksjoner.

Overstrømmer på elektroniske systemer kan føre til mer enn midlertidige funksjonsfeil. Disse høyenergioverføringene kan forårsake irreversibel skade på kretsene, noe som kan føre til kostbare reparasjoner og systemnedetid. I Ethernet-nettverk kan overstrømmer skade nettverkets maskinvare og andre tilkoblede enheter, noe som kan føre til tap av data, redusert systemytelse og til og med fullstendig systemsvikt.

Ethernet-infrastrukturens følsomhet for overstrømmer skyldes dens vidstrakte rekkevidde og sammenkoblede art. Når Ethernet-kabler strekker seg over lange avstander, plukker de opp elektromagnetiske forstyrrelser fra omgivelsene, for eksempel induserte spenninger og strømmer fra en overstrømshendelse, som når frem til enheter som tilsynelatende er isolert fra overstrømspunktet (figur 1a).

Figur 1: En ubeskyttet Ethernet-installasjon er mottakelig for overstrømshendelser som beveger seg gjennom sensitiv elektronikk (a), men ved å bruke konstruksjonsmetoder med overstrømsvern, for eksempel sikkerhetsplan (guard plane), oppnås en sikker bane for overstrømmer (b). (Bildekilde: Analog Devices)

Utviklere må implementere robuste overstrømsvern for å beskytte sensitiv elektronikk mot disse høyenergioverføringene, slik at systemintegriteten og funksjonaliteten ivaretas. Dette innebærer å beskytte kritiske punkter i nettverket med overspenningsvern som kan avlede den overskytende energien bort fra sensitive komponenter, enten ved å jorde den eller avlede den på en sikker måte ved å bruke teknikker som sikkerhetsplan (figur 1b).

For å bidra til å integrere overspenningsvern i tilkoblede enheter, er utviklere avhengige av avanserte konstruksjonsmetoder som spenningsbegrensning ved å bruke en transientdemper (TVS – transient voltage suppressor), isolasjonsmetoder, høyfrekvensfiltrering og andre teknikker. Samtidig krever vellykket overstrømsbeskyttelse en kombinasjon av disse teknikkene med spesialiserte komponenter, inkludert Ethernet PHY-enheter, styringer og strømforsyningsutstyr som er konstruert for å håndtere påkjenningene forårsaket av overstrømshendelser.

Et sett med løsninger fra Analog Devices er spesielt utviklet for å støtte konstruksjonsmetoder med overstrømsvern, samtidig som de oppfyller de spesialiserte kravene til robust funksjonalitet i Ethernet-tilkoblede enheter.

Integrere overspenningsvern i Ethernet-nettverk

For organisasjoner som går over fra eldre kommunikasjon til Ethernet-basert konnektivitet, gir fremveksten av Ethernet-standarden 10BASE-T1L med fysisk lag (PHY) den viktige forbindelsen som trengs for å koble til edge-enheter (inngangspunktenheter) på fjerntliggende og farlige steder i fabrikken, noe som gjøres ved å bruke IEEE 802.3cg-standarden for Ethernet-kabler med enkeltpar (SPE) klassifisert for 10 megabit per sekund (Mb/s). Analog Devices ADIN1100, en enports transceiver med lavt strømforbruk, er utviklet for å støtte disse standardene, og den støtter Ethernet-konnektivitet med avstander på opptil 1700 meter. ADIN1100 bruker bare 39 milliwatt (mW), og kombinerer en omfattende funksjonell arkitektur med et maskinvaregrensesnitt som er utviklet for å forenkle konnektiviteten mellom en vertsprosessor og et Ethernet-nettverk (figur 2).

Figur 2: ADIN1100 kommer med en komplett 10BASE-T1L PHY, som forenkler overgangen fra industrielle systemer til Ethernet-nettverk. (Bildekilde: Analog Devices)

ADIN1100s overstrømsvern med integrert overvåking av strømforsyning og POR-kretser (POR – Power-on Reset) bidrar til systemets robusthet, og sikrer stabil drift selv under ustabile forhold. Med Analog Devices sitt EVAL-ADIN1100-EBZ-evalueringskort kan utviklere raskt vurdere ytelsen til ADIN1100 og utforske flere overstrømvernmekanismer.

I tillegg til LED-statusindikatorer, knapper og grensesnittforbindelser, gir evalueringskortet testpunkter, et lite prototypingsområde for å undersøke alternative kabeltilkoblingsmetoder og valgfrie skilletransformatorer eller strømkoblingsinduktorer (power coupling inductors) (figur 3).

Figur 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 forenkler evalueringen av ADIN1100s ytelse og eksperimentering med overstrømsvernmekanismer. (Bildekilde: Analog Devices)

Enhetsstyring drevet av Industrielt Ethernet

Analog Devices LTC9111, som er utviklet for industrielle SPE-konstruksjoner, er en IEEE 802.3cg-kompatibel SPoE-styring (SPoE – Single-pair Power over Ethernet) for drevne enheter, med et bredt driftsområde fra 2,3 til 60 volt. Enheten støtter klassifiseringsprotokoll for seriekommunikasjon (SCCP – serial communication classification protocol) i systemer der den drevne enheten (PD – power device) og strømforsyningsutstyret (PSE – power sourcing equipment) deler informasjon om nødvendige strømklasser.

LTC9111 har støtte for IEEE 802.3cg og er bygget for å redusere virkningen av overstrømshendelser, men utviklere som bruker enheten i overstrømfølsomme konstruksjoner kan inkludere en spenningsbegrenser, for eksempel en TVS-diode. En TVS kombinert med ADIN1100 er en effektiv løsning ved implementering av SPoE-løsninger som kan fungere over lengre avstander (figur 4).

Figur 4: Når ADIN1100 kombineres med LTC9111 forenkles SPoE-konstruksjoner, og det kreves bare noen få ekstra komponenter å fullføre siden til den drevne enheten i en industriell Ethernet-tilkobling. (Bildekilde: Analog Devices)

SPoE-styring for strømforsyningsutstyr

LTC4296-1 er en SPoE-styring for strømforsyningsutstyr med fem porter som er utviklet for driftskompatibilitet med 802.3cg drevne enheter (PD-er) i systemer på 24 eller 54 volt. Med et inngangsspenningsområde på 6 til 60 volt, støtter enheten et omfattende sett med beskyttelsesfunksjoner, inkludert bruken av eksterne N-kanal MOSFET-er, analog strømgrense med tilbakekobling (ACL – analog current limit), justerbar kilde (source) og elektroniske kretsbrytere for retur, med mer. For ekstra overstrømsvern kan utviklere legge til en TVS-diode, for eksempel Littelfuse SMAJ58A, for å redusere spenningsspisser fra strømforsyningen (figur 5).

Figur 5: LTC4296-1 SPoE-styringen med fem porter er et supplement til LTC9111-styringen for strømforsyningsutstyr. Den forenkler konstruksjon av strømforsyningssiden til en industriell Ethernet-tilkobling. (Bildekilde: Analog Devices)

Ved hjelp av Analog Devices sitt EVAL-SPoE-KIT-AZ-evalueringssett kan utviklere raskt få erfaring med styringer for strømforsyningsutstyr. Settet gjør det mulig for konstruktører å studere en komplett IEEE 802.3-kompatibel SPoE-konstruksjon. Den leveres med LTC4296-1- og LTC9111-baserte hovedkort, som hvert er vert for ADIN1100-baserte innstikkbare shield-kort som kobles til via en SPE-kabel (SPE – Single Pair Ethernet) (figur 6).

Figur 6: EVAL-SPoE-KIT-AZ-evalueringssettet inneholder et komplett sett med maskinvarekort og kabler for å evaluere en SPoE-konstruksjon basert på LTC4296-1 PSE- og LTC9111 PD-styringene og en ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY-enhet. (Bildekilde: Analog Devices)

Selv om LTC4296-1 PSE-styringen, LTC9111 PD-styringen og ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY-enheten muliggjør rask implementering av IEEE 802.3cg-kompatible SPoE-løsninger, er det en annen løsning fra Analog Devices som dekker behovet for styringer med aktiv begrensning.

PWM-styring med aktiv begrensning

Analog Devices-enhetene i MAX5974-serien er konstruert for å forbedre virkningsgraden til forsyningskilder i PoE PD-konstruksjoner, og PWM-styringene (PWM – pulsbreddemodulasjon) i strømmodus har aktiv begrensning og spredt spektrum. Enheter i MAX5974-serien tilbys i flere varianter. For eksempel er MAX5974D utviklet for å støtte utgangsregulering ved å bruke tradisjonell optokobler-tilbakekobling. MAX5974B er derimot konstruert for å støtte utgangsregulering uten noen optokobler, samtidig som utgangen til den koblede induktoren kan avlede omformerens forsyningsinngang (IN) (figur 7).

Figur 7: Analog Devices sin MAX5974B forenkler omformerkonstruksjoner som er aktivt begrenset ved å eliminere optokoblere i tilbakekoblingen og avlede omformerens inngangsspenning (IN) fra utgangen til den koblede induktoren. (Bildekilde: Analog Devices)

Begrenseren (clamp) med foroverkobling og maksimal driftssyklus som er integrert i MAX5974-enheter, sikrer at den maksimale begrensningsspenningen forblir uavhengig av linjespenningen under forbigående forhold. Enhetens syklus-for-syklus-strømbegrensningsfunksjon bidrar til å ytterligere beskytte sensitiv elektronikk. Når enheten detekterer at toppstrømsgrensen er nådd og opprettholdt lengre enn en terskelvarighet, slår den av hovedbryterens gate-driverutgang (NDRV) og den aktive begrensningsbryterens gate-driverutgang (AUXDRV) midlertidig, slik at overbelastningsstrømmen kan avledes før noen forsøk på mykstart gjøres på nytt.

Bruke en bred tilnærming til overstrømsvern

Disse produktene muliggjør en bred tilnærming til overstrømsvern i Ethernet-nettverk. ADIN1100 sikrer lang rekkevidde og lavt strømforbruk, og fungerer som et robust fundament for nettverket. LTC9111- og LTC4296-styringene arbeider sammen for å administrere strømforsyningen og beskytte mot overstrøm på nivået til både den drevne enheten og strømforsyningsutstyret. MAX5974 utfyller dette oppsettet ved å sikre effektiv strømomforming og redusere potensialet for energisløsing under overstrømshendelser.

Ved å implementere disse produktene på en koordinert måte, kan utviklere kraftig forbedre overstrømsbeskyttelsen til Ethernet-nettverk. Denne integrerte tilnærmingen beskytter maskinvaren og sikrer uavbrutt kommunikasjon og driftskontinuitet.

Konklusjon

Ethernet gir betydelige fordeler for industriell kommunikasjon, men lange kabelløp gjør sensitiv elektronikk sårbar for overstrømshendelser. Ved å bruke et sett med enheter og utviklingsressurser fra Analog Devices, kan utviklere raskt implementere Ethernet-konnektivitet som er i stand til å motstå virkningene av overstrømshendelser.