如何保護以太網(wǎng)免受電涌事件的影響

以太網(wǎng)成為工業(yè)通信的支柱，其基礎(chǔ)設(shè)施對電涌事件(如雷擊)的敏感性構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。這種事故會引起接地回路和磁耦合電壓，可能會使操作技術(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)人員需要一種強大的解決方案來保護敏感電子設(shè)備免受破壞性能量傳輸?shù)挠绊憽?/p>

本文簡要介紹電涌如何影響電子系統(tǒng)。然后，它引入了來自的保護設(shè)備ADI公司并展示了如何使用它們來減輕喘振事件。

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，其中閃電是最具戲劇性和破壞性的。即使在幾英里之外，雷擊也會在電子系統(tǒng)中引起接地回路和磁耦合電壓。這種瞬態(tài)過電壓會損壞敏感的電子設(shè)備并中斷關(guān)鍵操作。

電涌事件對電子系統(tǒng)的影響不僅僅是暫時的故障。這些高能轉(zhuǎn)移會對電路造成不可逆的損壞，導(dǎo)致昂貴的維修和系統(tǒng)停機。在以太網(wǎng)中，浪涌事件會損壞網(wǎng)絡(luò)硬件和連接的設(shè)備，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)性能下降，甚至整個系統(tǒng)發(fā)生故障。

以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施易受電涌事件的影響源于其廣泛的覆蓋范圍和互聯(lián)性。以太網(wǎng)電纜長距離傳輸時，會從環(huán)境中拾取電磁干擾，包括浪涌事件產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流，到達看似與浪涌點隔離的設(shè)備(圖1a)。

圖1:未受保護的以太網(wǎng)安裝容易受到流經(jīng)敏感電子設(shè)備的浪涌事件的影響(a)，但使用保護層等浪涌保護設(shè)計方法可以為浪涌電流提供安全路徑(b)。(圖片來源:ADI公司)

開發(fā)人員必須實施強大的浪涌保護措施，保護敏感電子器件免受這些高能量傳輸?shù)挠绊懀_保系統(tǒng)的完整性和功能性。這包括使用浪涌保護器件保護網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵點，浪涌保護器件能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰繌拿舾性D(zhuǎn)移出去，方法是將其接地或使用保護層等技術(shù)安全地耗散掉多余的能量(圖1b)。

為了幫助在連接的設(shè)備中構(gòu)建浪涌保護，開發(fā)人員依賴先進的設(shè)計方法，例如使用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的電壓箝位、隔離方法、高頻濾波和其他技術(shù)。同時，成功的電涌保護需要將這些技術(shù)與專門的組件相結(jié)合，包括以太網(wǎng)物理層(PHY)設(shè)備、控制器和電源設(shè)備，用于管理電涌事件引起的壓力。

ADI公司的一套解決方案專為支持浪涌保護設(shè)計方法而設(shè)計，同時滿足以太網(wǎng)連接設(shè)備對穩(wěn)定功能的特殊要求。

在以太網(wǎng)中構(gòu)建電涌保護

對于從傳統(tǒng)通信過渡到基于以太網(wǎng)的連接的組織來說，10BASE-T1L物理層以太網(wǎng)標準的出現(xiàn)為使用10兆位/秒（Mbps）單對以太網(wǎng)（SPE）電纜的IEEE 802.3cg標準連接工廠內(nèi)遠程和危險位置的邊緣設(shè)備提供了所需的關(guān)鍵鏈路。ADI公司專為支持這些標準而設(shè)計ADIN1100是一款低功耗、單端口收發(fā)器，支持最遠1，700米（m）的以太網(wǎng)連接。ADIN1100的功耗僅為39毫瓦（mW），將全面的功能架構(gòu)與硬件接口相結(jié)合，旨在簡化主機處理器與以太網(wǎng)的連接（圖2）。

圖ADIN1100提供完整的10BASE-T1L PHY，簡化了工業(yè)系統(tǒng)向以太網(wǎng)的過渡。（圖片來源:ADI公司）

ADIN1100的浪涌保護設(shè)計集成電源監(jiān)控和上電復(fù)位（POR）電路，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保即使在動蕩條件下也能穩(wěn)定工作。ADI公司的EVAL-阿丁1100-EBZ評估板，開發(fā)人員可以快速評估ADIN1100的性能并探索額外的浪涌保護機制。

除LED狀態(tài)指示燈、按鈕和接口連接外，評估板還提供測試點、用于檢查替代電纜連接方法的小型原型制作區(qū)域以及可選的隔離變壓器或電源耦合電感（圖3）。

圖3:EVAL-ADIN1100-EBZ adin 1100簡化了對adin 1100性能的評估以及浪涌保護設(shè)計機制的實驗。（圖片來源:ADI公司）

工業(yè)以太網(wǎng)供電的設(shè)備控制器

ADI公司專為工業(yè)SPE應(yīng)用而設(shè)計LTC9111是一款符合IEEE 802.3cg標準的單對以太網(wǎng)供電（SPoE）設(shè)備控制器，具有2.3至60伏的寬工作電壓范圍。在用電設(shè)備（PD）和電源設(shè)備（PSE）共享所需電源等級信息的系統(tǒng)中，該器件支持串行通信分類協(xié)議（SCCP）。

LTC9111支持IEEE 802.3cg，旨在降低浪涌事件的影響，但在浪涌敏感應(yīng)用中使用該器件的開發(fā)人員可以使用TVS二極管等電壓箝位器件。TVS與ADIN1100相結(jié)合，為實施可遠距離工作的SPoE解決方案提供了有效的解決方案（圖4）。

圖LTC9111與ADIN1100相結(jié)合，簡化了SPoE設(shè)計，只需少量額外元件即可完成工業(yè)以太網(wǎng)連接的受電設(shè)備端。（圖片來源:ADI公司）

斯波PSE控制器

對于802.3cg兼容應(yīng)用的電源端LTC4296-1是一款五端口SPoE PSE控制器，旨在與24或54伏系統(tǒng)中的802.3cg PDs實現(xiàn)互操作性。該器件具有6至60伏的輸入電壓范圍，支持一系列廣泛的保護功能，包括使用外部N溝道MOSFETs、折返模擬限流（ACL）、可調(diào)源和回路電子斷路器等。為了提供額外的浪涌保護，開發(fā)人員可以添加一個TVS二極管，例如利特福斯 SMAJ58A緩解供應(yīng)高峰（圖5）。

圖5:作為LTC9111 PD控制器的補充，LTC4296-1五端口SPoE控制器簡化了工業(yè)以太網(wǎng)連接PSE端的設(shè)計。（圖片來源:ADI公司）

使用ADI公司的產(chǎn)品EVAL-斯波-基特-阿茲評估套件，開發(fā)人員可以快速獲得PSE控制器的經(jīng)驗。該套件使設(shè)計人員能夠研究完整的符合IEEE 802.3標準的SPoE應(yīng)用。它配備了基于LTC4296-1和LTC9111的主板，每個主板都托管通過SPE電纜連接的基于ADIN1100的插件屏蔽（圖6）。

圖6:EVAL SPoE-KIT-AZ評估套件提供了一整套硬件板和電纜，用于評估基于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:ADI公司）

雖然LTC4296-1 PSE控制器、LTC9111 PD控制器和ADIN1100 10BASE-T1L以太網(wǎng)PHY器件支持快速實施符合IEEE 802.3cg標準的SPoE解決方案，但ADI公司的另一種解決方案可以滿足有源箝位控制器的需求。

有源箝位PWM控制器

ADI公司旨在提高PoE PD應(yīng)用中電源的效率MAX5974系列器件是有源箝位擴頻電流模式脈寬調(diào)制（PWM）控制器。MAX5974系列設(shè)備有多種型號。例如，在MAX5974D旨在利用傳統(tǒng)光耦合器反饋支持輸出調(diào)節(jié)。相比之下MAX5974B旨在支持無光耦合器的輸出調(diào)節(jié)，同時使耦合電感輸出能夠獲得轉(zhuǎn)換器電源輸入（IN）（圖7）。

圖7:ADI公司的MAX5974B消除了反饋中的光耦合器，并從耦合電感輸出獲得轉(zhuǎn)換器輸入（in）電壓，從而簡化了有源箝位轉(zhuǎn)換器設(shè)計。（圖片來源:ADI公司）

MAX5974器件集成的前饋最大占空比箝位電路可確保最大箝位電壓在瞬態(tài)條件下不受線路電壓影響。該器件的逐周期限流功能有助于進一步保護敏感電子器件。當器件檢測到達到峰值電流限值并持續(xù)超過閾值持續(xù)時間時，它會暫時關(guān)斷主開關(guān)柵極驅(qū)動輸出（NDRV）和有源箝位開關(guān)柵極驅(qū)動輸出（AUXDRV），讓過載電流消散后再嘗試軟啟動。

采用廣泛的電涌保護方法

這些產(chǎn)品為以太網(wǎng)中的電涌保護提供了一種廣泛的方法。ADIN1100可確保長距離和低功耗運行，為網(wǎng)絡(luò)奠定堅實的基礎(chǔ)。LTC9111和LTC4296控制器協(xié)同工作，管理功率傳輸并在PD和PSE級別提供浪涌保護。MAX5974通過確保有效的功率轉(zhuǎn)換和減少浪涌事件期間的潛在能源浪費來補充這一設(shè)置。

通過協(xié)調(diào)實施這些產(chǎn)品，開發(fā)人員可以顯著增強以太網(wǎng)的浪涌保護能力。這種集成方法保護了硬件，并確保了不間斷的通信和操作連續(xù)性。

結(jié)論

以太網(wǎng)為工業(yè)通信提供了顯著的優(yōu)勢，但過長的電纜布線使敏感的電子設(shè)備容易受到浪涌事件的影響。利用ADI公司的一系列器件和開發(fā)資源，開發(fā)人員可以快速實現(xiàn)能夠抵御浪涌事件影響的以太網(wǎng)連接。

審核編輯 黃宇