如何保護(hù)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)免受浪涌事件影響

以太網(wǎng)成為工業(yè)通信的骨干網(wǎng)對(duì)我們提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠浠A(chǔ)設(shè)施容易受到雷擊等浪涌事件的影響。此類事故會(huì)引發(fā)接地回路和磁耦合電壓，可能導(dǎo)致操作技術(shù)系統(tǒng)癱瘓。

為了保持以太網(wǎng)連接設(shè)備的系統(tǒng)完整性和功能性，開發(fā)人員需要一種強(qiáng)大的解決方案來保護(hù)敏感電子元件，使其免受破壞性能量傳遞的影響。

本文簡(jiǎn)要介紹了浪涌如何影響電子系統(tǒng)。隨后介紹了 Analog Devices 的保護(hù)器件，并說明了如何使用這些器件來減少浪涌事件。

浪涌事件如何影響電子系統(tǒng)

浪涌事件可能由多種因素引起，而雷擊則是其中最鮮明且最具破壞性的因素。即使在幾英里之外，雷擊也會(huì)在電子系統(tǒng)中引發(fā)接地回路和磁耦合電壓。這種瞬態(tài)過電壓會(huì)損壞敏感電子元件，并使關(guān)鍵操作中斷。

浪涌事件對(duì)電子系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)不止當(dāng)下發(fā)生的暫時(shí)性故障。這些高能量傳遞會(huì)對(duì)電路造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，導(dǎo)致代價(jià)高昂的維修和系統(tǒng)停機(jī)事件。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，浪涌事件會(huì)損壞聯(lián)網(wǎng)硬件和相連設(shè)備，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)性能下降，甚至讓系統(tǒng)完全癱瘓。

以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之所以容易受到浪涌事件的影響，是因?yàn)槠涓采w范圍廣且相互連接。由于以太網(wǎng)電纜需要長(zhǎng)距離鋪設(shè)，這些電纜會(huì)接收到來自環(huán)境的電磁干擾，包括浪涌事件產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流，進(jìn)而傳遞至看似與浪涌點(diǎn)隔離的設(shè)備（圖 1a）。

圖 1：未受保護(hù)的以太網(wǎng)裝置容易受到浪涌事件的影響，進(jìn)而傳遞至敏感電子元件 (a)，但采用防護(hù)平面等浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)方法可以為浪涌電流提供安全通路 (b)。（圖片來源：Analog Devices）

開發(fā)人員必須采取強(qiáng)有力的浪涌保護(hù)措施，使敏感電子元件免受這些高能量傳遞的影響，確保系統(tǒng)的完整性和功能性。這包括使用浪涌保護(hù)器來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵點(diǎn)，此類器件可通過使能量流入大地或采用防護(hù)平面等方法安全地耗散能量，將多余的能量從敏感元器件上轉(zhuǎn)移出去（圖 1b）。

要想在相連設(shè)備中構(gòu)建浪涌保護(hù)功能，開發(fā)人員可依賴先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，例如使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 鉗制電壓、隔離方法、高頻濾波以及其他方法。同時(shí)，成功的浪涌保護(hù)需要將這些方法與專用元器件相結(jié)合，其中包括以太網(wǎng)物理層 (PHY) 器件、控制器，以及專為管理浪涌事件引發(fā)的應(yīng)力而設(shè)計(jì)的供電設(shè)備。

Analog Devices 提供一套解決方案，專門設(shè)計(jì)用于支持浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)還可滿足以太網(wǎng)連接設(shè)備對(duì)強(qiáng)大功能的專業(yè)要求。

在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建浪涌保護(hù)功能

對(duì)于從傳統(tǒng)通信過渡到以太網(wǎng)連接的組織而言，10BASE-T1L 物理層以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)為使用符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的 10 Mbps 單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 電纜連接工廠內(nèi)偏遠(yuǎn)和危險(xiǎn)場(chǎng)所的邊緣設(shè)備提供了所需的關(guān)鍵鏈路。Analog Devices 的 ADIN1100 專為支持這些標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，是一款低功耗的單端口收發(fā)器，支持最遠(yuǎn) 1,700 m 的以太網(wǎng)連接。功耗只有 39 mW，ADIN1100 將綜合功能架構(gòu)與硬件接口相結(jié)合，旨在簡(jiǎn)化主機(jī)處理器與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的連接（圖 2）。

圖 2：ADIN1100 提供完整的 10BASE-T1L PHY，簡(jiǎn)化了工業(yè)系統(tǒng)向以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的過渡。（圖片來源：Analog Devices）

ADIN1100 的浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)集成了電源監(jiān)控和上電復(fù)位 (POR) 電路，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)健性，即使在不穩(wěn)定的條件下也能確保穩(wěn)定運(yùn)行。利用 Analog Devices 的 EVAL-ADIN1100-EBZ 評(píng)估板，開發(fā)人員可以快速評(píng)估 ADIN1100 的性能并探索其他浪涌保護(hù)機(jī)制。

除了 LED 狀態(tài)指示燈、按鈕和接口連接外，該評(píng)估板還提供測(cè)試點(diǎn)、用于檢查其他電纜連接方法的小型原型開發(fā)區(qū)域，以及可選配的隔離變壓器或功率耦合電感器（圖 3）。

圖 3：EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 可簡(jiǎn)化 ADIN1100 的性能評(píng)估和浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)機(jī)制實(shí)驗(yàn)。（圖片來源：Analog Devices）

工業(yè)以太網(wǎng)供電設(shè)備控制器

Analog Devices 的 LTC9111 專為工業(yè) SPE 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一款符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的單對(duì)以太網(wǎng)供電 (SPoE) 設(shè)備控制器，具有 2.3 V 至 60 V 的寬工作電壓范圍。在用電設(shè)備 (PD) 和供電設(shè)備 (PSE) 共用所需功率等級(jí)相關(guān)信息的系統(tǒng)中，該設(shè)備可支持串行通信分類協(xié)議 (SCCP)。

LTC9111 支持 IEEE 802.3cg，可減少浪涌事件的影響，但在對(duì)浪涌敏感的應(yīng)用中使用該器件時(shí)，開發(fā)人員可以添加一個(gè)電壓箝位，例如 TVS 二極管。將 TVS 與 ADIN1100 相結(jié)合是一種實(shí)施 SPoE 解決方案的有效方法，使其能夠在更遠(yuǎn)的距離上運(yùn)行（圖 4）。

圖 4：LTC9111 與 ADIN1100 相結(jié)合，簡(jiǎn)化了 SPoE 設(shè)計(jì)，只需幾個(gè)額外元器件即可完善工業(yè)以太網(wǎng)連接的用電設(shè)備端。（圖片來源：Analog Devices）

SPoE PSE 控制器

LTC4296-1 是一款五端口 SPoE PSE 控制器，專為實(shí)現(xiàn)與 24 V 或 54 V 系統(tǒng)中 802.3cg PD 的互操作性而設(shè)計(jì)，用于符合 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用的供電端。該器件的輸入電壓范圍為 6 V 至 60 V，支持廣泛的保護(hù)功能，包括使用外部 N 溝道 MOSFET、折返式模擬電流限制 (ACL)、可調(diào)電源和返回電子斷路器等。如需額外的浪涌保護(hù)，開發(fā)人員可以添加 TVS 二極管（例如 Littelfuse 的 SMAJ58A），以緩解供電尖峰（圖 5）。

圖 5：作為 LTC9111 PD 控制器的補(bǔ)充，LTC4296-1 五端口 SPoE 控制器可簡(jiǎn)化工業(yè)以太網(wǎng)連接 PSE 端的設(shè)計(jì)。（圖片來源：Analog Devices）

利用 Analog Devices 的 EVAL-SPoE-KIT-AZ 評(píng)估套件，開發(fā)人員可以快速積累 PSE 控制器的經(jīng)驗(yàn)。該套件可幫助設(shè)計(jì)人員研究符合 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的完整 SPoE 應(yīng)用。其中配備基于 LTC4296-1 和 LTC9111 的母板，每塊都承載了通過 SPE 電纜連接的基于 ADIN1100 的插入式盾板（圖 6）。

圖 6：EVAL-SPoE-KIT-AZ 評(píng)估套件提供一套完整的硬件電路板和電纜，可用于評(píng)估基于 LTC4296-1 PSE 和 LTC9111 PD 控制器以及 ADIN1100 10BASE-T1L 以太網(wǎng) PHY 器件的 SPoE 應(yīng)用。（圖片來源：Analog Devices）

盡管使用 LTC4296-1 PSE 控制器、LTC9111 PD 控制器和 ADIN1100 10BASE-T1L 以太網(wǎng) PHY 器件能夠快速實(shí)施符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的 SPoE 解決方案，但 Analog Devices 的另一種解決方案還能滿足對(duì)有源箝位控制器的需求。

有源箝位 PWM 控制器

Analog Devices 的 MAX5974 系列器件是有源箝位、擴(kuò)頻、電流模式脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制器，旨在提高 PoE PD 應(yīng)用中供電電源的效率。MAX5974 系列器件提供多種版本。例如，MAX5974D 設(shè)計(jì)用于使用傳統(tǒng)光耦合器反饋來支持輸出調(diào)節(jié)。相比之下，MAX5974B 無需光耦合器也可支持輸出調(diào)節(jié)，同時(shí)使耦合電感器輸出能夠獲得轉(zhuǎn)換器電源輸入 (IN)（圖 7）。

圖 7：Analog Devices 的 MAX5974B 通過免除反饋中的光耦合器并從耦合電感器輸出中獲得轉(zhuǎn)換器輸入 (IN) 電壓，簡(jiǎn)化了有源箝位轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。（圖片來源：Analog Devices）

MAX5974 器件內(nèi)集成的前饋?zhàn)畲笳伎毡润槲还δ芸纱_保最大箝位電壓在瞬態(tài)條件下不受線電壓的影響。該器件的逐周期電流限制功能有助于進(jìn)一步保護(hù)敏感電子元件。當(dāng)器件檢測(cè)到已達(dá)到峰值電流限制且持續(xù)時(shí)間超過閾值時(shí)，便會(huì)暫時(shí)關(guān)閉其主開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)輸出 (NDRV) 和有源箝位開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)輸出 (AUXDRV)，讓過載電流耗散后再嘗試軟啟動(dòng)。

應(yīng)用廣泛的浪涌保護(hù)方法

這些產(chǎn)品可為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供廣泛的浪涌保護(hù)功能。ADIN1100 可確保長(zhǎng)距離和低功耗運(yùn)行，為網(wǎng)絡(luò)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。LTC9111 和 LTC4296 控制器協(xié)同工作，可管理功率輸送，同時(shí)在 PD 和 PSE 層級(jí)提供浪涌保護(hù)。MAX5974 可確保高效的功率轉(zhuǎn)換，減少浪涌事件中可能出現(xiàn)的能量浪費(fèi)，從而對(duì)此設(shè)置進(jìn)行補(bǔ)充。

通過協(xié)調(diào)實(shí)施這些產(chǎn)品，開發(fā)人員可以顯著增強(qiáng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的浪涌保護(hù)能力。這種集成方法可保護(hù)硬件，確保通信不間斷和操作連續(xù)性。

總結(jié)

以太網(wǎng)為工業(yè)通信提供了巨大的優(yōu)勢(shì)，但由于電纜鋪設(shè)距離較長(zhǎng)，使得敏感電子元件容易受到浪涌事件的影響。開發(fā)人員可以使用 Analog Devices 的一系列器件和開發(fā)資源，快速實(shí)施能夠抵御浪涌事件影響的以太網(wǎng)連接。

（作者：Stephen Evanczuk）