Jak chránit sítě Etneret proti přepětí

Vzhledem k tomu, že se Ethernet stává páteří průmyslových komunikací, náchylnost jeho infrastruktury ke krátkodobým přepětím, jako jsou údery blesku, je závažným problémem. Takové události mohou indukovat zemní smyčky a magneticky vázaná napětí, což může potenciálně ochromit provozní technologické systémy.

Aby byla zachována systémová integrita a funkčnost zařízení připojených přes Ethernet, potřebují vývojáři robustní řešení, které ochrání citlivou elektroniku před destruktivními vlivy přenosu energie.

Tento článek přináší stručný popis vlivu přepětí na elektronické systémy. Poté představuje ochranná zařízení od společnosti Analog Devices a ukazuje, jak je používat k potlačení přepěťových událostí.

Jak přepěťové události ovlivňují elektronické systémy

Přepětí může nastat v důsledku několika faktorů, přičemž nejdramatičtější a nejničivější z nich je blesk. Dokonce i úder blesku vzdálený několik km může v elektronických systémech indukovat zemní smyčky a magneticky vázaná napětí. Toto přechodné přepětí může poškodit citlivou elektroniku a narušit kriticky důležité operace.

Dopad přepětí na elektronické systémy přesahuje dočasnou poruchu. Tyto vysokoenergetické přenosy mohou způsobit nevratná poškození obvodů, což vede k nákladným opravám a prostojům systému. V ethernetových sítích mohou přepětí poškodit síťový hardware a připojená zařízení, což vede ke ztrátě dat, snížení výkonu a dokonce k úplnému selhání systému.

Náchylnost ethernetové infrastruktury na přepětí pramení z jejího rozsáhlého dosahu a propojené povahy. Pokud ethernetové kabely překračují velké vzdálenosti, zachycují elektromagnetické rušení z okolí včetně indukovaných napětí a proudů z přepěťových událostí, a pronikají tak do zařízení zdánlivě izolovaných od místa přepětí (obrázek 1a).

Obrázek 1: nechráněná ethernetová instalace je citlivá na přepětí procházející citlivou elektronikou (a), avšak použití konstrukčních metod na ochranu proti přepětí, jako jsou ochranné roviny, může pro rázové proudy (b) vytvořit bezpečnou cestu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vývojáři musí zavádět robustní opatření na ochranu proti přepětí, aby před vlivem těchto silových přenosů chránili citlivou elektroniku a zajistili integritu a funkčnost systému. Taková opatření zahrnují ochranu kritických bodů v síti pomocí přepěťových ochran schopnými odvést přebytečnou energii od citlivých součástí, a to buď jejím odvedením do země, nebo jejím bezpečným rozptýlením pomocí metod, jako jsou ochranné desky (obrázek 1b).

Aby vývojáři pomohli zabudovat do připojených zařízení přepěťovou ochranu, využívají pokročilé konstrukční metody, jak jsou prvky s upínacím napětím (transily), izolační koncepce, vysokofrekvenční filtrace a další techniky. Úspěšná přepěťová ochrana zároveň vyžaduje kombinaci těchto technik se specializovanými součástmi, včetně zařízení ethernetové fyzické vrstvy (PHY), regulátorů a zařízení pro napájecí zdroje navržená na potlačování namáhání vyvolaných přepěťovými událostmi.

Sada řešení od společnosti Analog Devices je speciálně navržena tak, aby podporovala konstrukční metody ochrany proti přepětí a zároveň splňovala specializované požadavky na robustní funkčnost v zařízeních připojených k síti Ethernet.

Zabudování přepěťové ochrany do sítí Ethernet

Organizacím, které přecházejí ze starší komunikace na konektivitu založenou na sítích Ethernet, poskytuje vznikající ethernetový standard fyzické vrstvy 10BASE-T1L kritické spojení potřebné k připojení okrajových zařízení na vzdálených a nebezpečných místech továrny pomocí standardu IEEE 802.3cg pro jednopárový ethernetový (SPE) kabel o rychlostí 10 Mbps. Obvod ADIN 1100 od společnosti Analog Devices, který je na podporu těchto standardů navržen, je nízkoenergetický jednoportový transceiver podporující ethernetové připojení na vzdálenosti až 1700 m. Obvod ADIN1100, který odebírá výkon pouhých 39 mW, kombinuje komplexní funkční architekturu s hardwarovým rozhraním navrženým pro zjednodušení připojení hostitelského procesoru k síti Ethernet (obrázek 2).

Obrázek 2: transceiver ADIN1100 poskytuje kompletní fyzickou vrstvu 10BASE-T1L PHY zjednodušující přechod průmyslových systémů na sítě Ethernet. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Konstrukce obvodu ADIN1100 s přepěťovou ochranou s integrovanými obvody monitorování napájení a resetu při startu (POR) přispívá k robustnosti systému a zajišťuje stabilní provoz i v nestabilních podmínkách. Pro rychlé vyhodnocování výkonu obvodu ADIN1100 a zkoumání dalších mechanismů jeho přepěťové ochrany mají vývojáři k dispozici vyhodnocovací desku EVAL-ADIN1100-EBZ od společnosti Analog Devices.

Společně se stavovými LED indikátory, tlačítky a připojovacími rozhraními poskytuje vyhodnocovací deska testovací body, malou prototypovací oblast na zkoumání alternativních koncepcí připojení kabelů, a volitelné izolační transformátory nebo vazební induktory napájení (obrázek 3).

Obrázek 3: vyhodnocovací deska EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 zjednodušuje vyhodnocování výkonu obvodu ADIN1100 a experimentování s konstrukčními mechanismy ochrany proti přepětí. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Regulátor zařízení napájených přes průmyslový Ethernet

Obvod LTC9111 od společnosti Analog Devices, který byl navržen pro průmyslové SPE aplikace, je regulátor zařízení napájených přes jednopárový Ethernet (S++PoE) vyhovující normě IEEE 802.3cg a podporující široký rozsah provozních napětí 2,3 V až 60 V. Obvod podporuje klasifikační protokol sériové komunikace (SCCP) v systémech, kde napájené (PD) a napájecí zařízení (PSE) sdílejí informace o požadovaných třídách výkonu.

Díky podpoře protokolu IEEE 802.3cg je obvod LTC9111 navržený tak, aby omezoval účinky přepěťových událostí a vývojáři, kteří jej používají v aplikacích citlivých na přepětí, mohli zároveň přidat prvek s upínacím napětím, například transil. Transil v kombinaci s transceiverem ADIN1100 poskytuje efektivní řešení pro implementaci SPoE řešení podporujících provoz na velké vzdálenosti (obrázek 4).

Obrázek 4: regulátor LTC9111 v kombinaci s transceiverem ADIN1100 zjednodušuje návrhy napájení SPoE a k dokončení napájené strany průmyslového ethernetového připojení vyžaduje jen několik dalších součástí. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Regulátor SPoE PSE

Obvod LTC4296-1, určený pro napájecí stranu aplikací kompatibilních se standardem 802.3cg, je pětiportový PSE regulátor napájení SPoE navržený na interoperabilitu s napájenými zařízeními (PD) 802.3cg ve 24V nebo 54V systémech. Tento obvod s rozsahem vstupních napětí 6 V až 60 V podporuje rozsáhlou sadu ochranných funkcí, včetně použití externích N-kanálových tranzistorů MOSFET, omezovače analogového proudu (ACL) typu foldback, nastavitelných zdrojových a zpětných elektronických jističů a dalších. Jako zvýšenou ochranu proti přepětí mohou vývojáři přidat transil, například model Littelfuse SMAJ58A, který potlačuje výkyvy napájecího napětí (obrázek 5).

Obrázek 5: pětiportový SPoE regulátor LTC4296-1, který doplňuje PD regulátor LTC9111, zjednodušuje návrh připojení průmyslového Ethernetu na straně PSE. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vývojáři mohou rychle získávat zkušenosti s PSE regulátorem pomocí vyhodnocovací soupravy EVAL-SPoE-KIT-AZ od společnosti Analog Devices. Souprava umožňuje návrhářům studovat kompletní aplikaci napájení SPoE vyhovující normě IEEE 802.3. Souprava je dodávána se základními deskami na bázi regulátorů LTC4296-1 a LTC9111, z nichž každá obsahuje zásuvné štíty založené na transceiveru ADIN1100, které se připojují pomocí kabelu SPE (obrázek 6).

Obrázek 6: vyhodnocovací souprava EVAL-SPoE-KIT-AZ poskytuje kompletní sadu hardwarových desek a kabelů pro vyhodnocování aplikací SPoE založených na regulátorech LTC4296-1 PSE a LTC9111 PD a transceiveru ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ačkoli regulátory LTC4296-1 PSE, LTC9111 PD a transceiver ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY umožňují rychlou implementaci řešení napájení SPoE kompatibilních s protokolem IEEE 802.3cg, další řešení od společností Analog Devices je zaměřeno na potřeby regulátorů s aktivním upínáním.

PWM regulátor s aktivním upínáním

Obvody řady MAX5974 od společnosti Analog Devices navržené na zvýšení účinnosti napájecích zdrojů v aplikacích PoE PD jsou regulátory aktivním upínáním, rozprostřeným spektrem a pulzně-šířkovou modulací (PWM) v proudovém režimu. Obvody řady MAX5974 jsou nabízeny v několika variantách. Například obvod MAX5974D je navržen tak, aby podporoval regulaci výstupu pomocí tradiční zpětné vazby s optočleny. Naopak obvod MAX5974B je navržen tak, aby podporoval regulaci výstupu bez optočlenu a zároveň umožňoval, aby vstupní napětí (IN) převodníku bylo odvozováno od výstupu spřaženého induktoru (obrázek 7).

Obrázek 7: regulátor MAX5974B od společnosti Analog Devices zjednodušuje konstrukci převodníku s aktivním upínáním odstraněním optočlenů ze zpětné vazby a odvozováním vstupního napětí (IN) převodníku od výstupu spřažené tlumivky. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Svorka s dopřednou vazbou a maximálním pracovním cyklem integrovaná do obvodu MAX5974 zajišťuje, aby maximální upínací napětí zůstávalo během přechodných stavů nezávislé na síťovém napětí. Schopnost zařízení omezovat proud po cyklech pomáhá k dalšímu zvýšení ochrana citlivé elektroniky. Pokud obvod detekuje dosažení limitu proudu ve špičce, který trvá po uplynutí prahové doby, dočasně vypne svůj hlavní výstup hradlového budiče (NDRV) a aktivní upínací výstup hradlového budiče (AUXDRV), což umožní odvedení nadproudu před pokusem o měkký start.

Uplatnění širokého přístupu k přepěťové ochraně

Tyto produkty podporují široký přístup k přepěťové ochraně v sítích Ethernet. Transceiver ADIN1100 zajišťující provoz s dlouhým dosahem a nízkou spotřebou slouží jako robustní základ sítě. Regulátory LTC9111 a LTC4296 pracují společně na řízení dodávky energie a ochraně proti přepětí na úrovni PD i PSE. Regulátor MAX5974 doplňuje tuto konfiguraci zajištěním efektivní přeměny energie a snížením potenciál plýtvání energií během přepětí.

Koordinovanou implementací těchto produktů mohou vývojáři výrazně zlepšit možnosti přepěťové ochrany sítí Ethernet. Tento integrovaný přístup chrání hardware a zajišťuje nepřerušovanou komunikaci a provozní kontinuitu.

Závěr

Síť Ethernet nabízí významné výhody pro průmyslovou komunikaci, dlouhé kabely však způsobují, že citlivá elektronika je zranitelná vůči přepětí. Pomocí sady zařízení a vývojových zdrojů od společnosti Analog Devices mohou vývojáři rychle implementovat ethernetové připojení schopné odolávat účinkům přepětí.