Ethernet-verkkojen suojaaminen jännitepiikeiltä

Ethernet on keskeinen osa tiedonsiirtoa teollisuudessa, joten tämän infrastruktuurin herkkyys jännitepiikeille (kuten salamaniskut) on kriittinen haaste. Tällaisten ilmiöiden myötä voi syntyä maadoitussilmukoita ja magneettisesti kytkeytyviä jännitteitä, mikä voi vioittaa toiminnalle kriittisiä järjestelmiä.

Ethernet-laitteiden eheyden ja toiminnan ylläpitämiseksi kehittäjät tarvitsevat luotettavan ratkaisun, joka suojaa herkkää elektroniikkaa tuhoisilta energiasiirtymiltä.

Tässä artikkelissa kuvaillaan lyhyesti sitä, miten jännitepiikit vaikuttavat sähköisiin järjestelmiin. Sitten artikkelissa tutustutaan Analog Devices -yrityksen suojalaitteisiin ja niiden käyttöön jännitepiikkejä vastaan.

Jännitepiikkien vaikutukset sähköisiin järjestelmiin

Jännitepiikkejä voi syntyä monella tapaa, joista dramaattisin ja tuhoisin on salamanisku. Jopa useiden kilometrien päässä tapahtuva salamanisku voi synnyttää sähköjärjestelmiin maadoitussilmukoita ja magneettisesti kytkeytyviä jännitteitä. Transienttiylijännite voi vaurioittaa herkkiä sähkölaitteita ja häiritä kriittisiä toimintoja.

Jännitepiikit voivat aiheuttaa sähköjärjestelmissä muitakin ongelmia kuin vain väliaikaisia vikoja. Nämä korkeat energiasiirtymät saattavat vaurioittaa piirejä pysyvästi johtaen kalliisiin korjaustarpeisiin ja järjestelmän seisokkeihin. Ethernet-verkoissa jännitepiikit voivat vaurioittaa verkkolaitteistoa ja kytkettyjä laitteita, mikä voi johtaa tietojen menetykseen, järjestelmän suorituskyvyn laskemiseen ja jopa koko järjestelmän vikaantumisen.

Ethernet-infrastruktuurin herkkyys jännitepiikeille johtuu osaltaan sen alueellisesta kattavuudesta ja siitä, että se yhdistää laitteita. Pitkät Ethernet-kaapelit voivat poimia ympäristöstä sähkömagneettisia häiriöitä, kuten jännitepiikeistä johtuvia indusoituneita jännitteitä ja virtoja. Ne voivat saavuttaa sellaisiakin laitteita, jotka vaikuttaisivat olevan eristettyjä jännitepiikin tapahtumapaikasta (kuva 1a).

Kuva 1: Suojaamaton Ethernet-asennus on altis herkkien sähkölaitteiden kautta kulkeville jännitepiikeille (a), mutta jännitepiikeiltä suojaavat ratkaisut, kuten suojatasot, mahdollistavat virtapiikkien siirtymisen turvallisesti pois järjestelmästä (b). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kehittäjien on käytettävä tehokkaita suojausmenetelmiä herkkien sähkölaitteiden suojaamiseksi näiltä korkeilta energiasiirtymiltä. Tämä parantaa järjestelmän eheyttä ja toimintaa. Tähän kuuluu verkon kriittisten kohtien suojaaminen jännitepiikeiltä sellaisilla suojalaitteilla, jotka ohjaavat ylimääräisen energian pois herkistä komponenteista joko johtamalla sen maahan tai dissipoimalla sen turvallisesti. Tällaisia suojamenetelmiä ovat esimerkiksi suojatasot (kuva 1b).

Verkkoon kytkettyjen laitteiden suojaamisessa jännitepiikeiltä kehittäjät käyttävät edistyneitä suunnittelumenetelmiä, kuten jännitteen rajoittaminen transienttijännitteiden vaimentimilla (Transient Voltage Suppressor, TVS), eristäminen ja korkeiden taajuuksien suodatus. Suojauksen onnistuminen edellyttää, että näiden tekniikoiden lisäksi käytetään erityiskomponentteja, esimerkkeinä jännitepiikkejä kestäväksi suunnitellut Ethernetin fyysisen kerroksen (Physical Layer, PHY) laitteet, ohjaimet ja virtalähteet.

Analog Devices on kehittänyt jännitepiikkisuojauksen toteuttamiseen joukon ratkaisuja, jotka myös täyttävät Ethernet-laitteiden luotettavaa toimintaa koskevat erityisvaatimukset.

Jännitepiikkisuojauksen rakentaminen Ethernet-verkkoihin

Ethernetin fyysisen kerroksen 10BASE-T1L-standardi tarjoaa vanhoista tiedonsiirtojärjestelmistä Ethernet-pohjaiseen viestintään siirtyville organisaatioille kriittisen linkin tehtaiden etäisissä ja jopa vaarallisissa paikoissa sijaitsevien reunalaitteiden yhdistämiseksi IEEE 802.3cg -standardin mukaisesti yhdellä Ethernet-parikaapelilla (Single-Pair Ethernet, SPE), joka tukee 10 megabitin sekuntinopeutta (Mbit/s). Analog Devices ADIN1100 on näiden standardien pohjalta suunniteltu vähävirtainen yhden portin lähetin-vastaanotin, joka tukee Ethernet-yhteyksiä jopa 1700 metrin etäisyydelle. Vain 39 milliwattia sähköä kuluttava ADIN1100 yhdistää kattavan toiminnallisen arkkitehtuurin ja laitteistorajapinnan, joka on suunniteltu yksinkertaistamaan isäntäsuorittimen yhdistämistä Ethernet-verkkoon (kuva 2).

Kuva 2: ADIN1100 tarjoaa täyden 10BASE-T1L PHY -rajapinnan, mikä yksinkertaistaa teollisuusjärjestelmien siirtämistä Ethernet-verkkoihin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

ADIN1100-jännitepiikkisuojaus sisältää integroidun virtalähteen valvonnan ja käynnistyksen aikana nollaavan virtapiirin (Power-on Reset, POR), jotka parantavat järjestelmän robustisuutta ja varmistavat luotettavan toiminnan myös muuttuvissa olosuhteissa. Analog Devices EVAL-ADIN1100-EBZ-evaluointikortin avulla kehittäjät voivat nopeasti arvioida ADIN1100-piirin suorituskykyä ja tutustua muihin jännitepiikkisuojauksen mekanismeihin.

Arviointikorttiin ominaisuuksiin kuuluvat ledimerkkivalot, painikkeet, rajapintaliitännät, testipisteet, pieni prototyyppialue kaapelikytkentätapojen tutkimiseen ja vaihtoehtoiset erotusmuuntajat/virtakytkentäinduktorit (kuva 3).

Kuva 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 yksinkertaistaa ADIN1100-piirin suorituskyvyn arviointia ja jännitepiikkisuojauksen suunnittelumekanismeihin tutustumista. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Teollisuus-Ethernetistä virtansa saava laiteohjain

Teollisiin SPE-sovelluksiin suunniteltu Analog Devices LTC9111 on IEEE 802.3cg -vaatimukset täyttävä yhden parikaapelin Power Over Ethernet (SPoE) -virransyötöllä toimiva laite, jossa on laaja 2,3–60 voltin käyttöjännitealue. Laite tukee Serial Communication Classification -protokollaa (SCCP) järjestelmissä, joissa virtaa vastaanottava laite (Powered Device, PD) ja virransyöttölaite (Power Sourcing Equipment, PSE) jakavat tietoja vaadituista teholuokista.

LTC9111 tukee IEEE 802.3cg -protokollaa ja se on tarkoitettu vähentämään jännitepiikkien vaikutusta. Jos laitetta käytetään sovelluksissa, jotka ovat alttiita jännitepiikeille, kehittäjät voivat lisätä niihin jänniterajoittimen, kuten TVS-diodin. TVS-diodi ja ADIN1100 muodostavat yhdessä tehokkaan ratkaisun pitkän etäisyyden SPoE-ratkaisujen toteuttamiseen (kuva 4).

Kuva 4: ADIN1100 ja LTC9111 yksinkertaistavat yhdessä SPoE-suunnittelua, ja Teollisuus-Ethernet-yhteyden laitepuolelle tarvitaan niiden ohella vain muutama lisäkomponentti. (Kuvan lähde: Analog Devices)

SPoE PSE -ohjain

802.3cg-vaatimukset täyttävän sovelluksen virtalähdepuolella voidaan käyttää viiden portin SPoE PSE -ohjainta LTC4296-1, joka on suunniteltu yhteensopivaksi 802.3cg-PD-laitteiden kanssa 24 tai 54 voltin järjestelmissä. Laite tukee 6–60 voltin tulojännitealuetta ja tarjoaa lukuisia erilaisia suojausominaisuuksia, mukaan lukien esimerkiksi ulkoisten N-kanavan MOSFET-transistorien käyttö, ennakoiva ACL (Analog Current Limit), säädettävät virtasyötön ja paluun elektroniset suojakatkaisijat. Kehittäjät voivat tehostaa jännitepiikkisuojausta lisäämällä ratkaisuun syöttöjännitteen piikkejä vähentävän TVS-diodin, kuten Littelfuse SMAJ58A (kuva 5).

Kuva 5: LTC9111 PD -ohjainta täydentävä viiden portin SPoE-ohjain LTC4296-1 yksinkertaistaa Teollisuus-Ethernet-yhteyden PSE-puolen suunnittelua. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analog Devices EVAL-SPoE-KIT-AZ-evaluointisarjan avulla kehittäjät voivat saada nopeasti kokemusta PSE-ohjaimesta. Suunnittelijat voivat tutustua tämän sarjan avulla kattavaan IEEE 802.3 -vaatimukset täyttävään SPoE-sovellukseen. Sen mukana toimitetaan LTC4296-1- ja LTC9111-pohjaiset emolevyt, joissa on kussakin SPE-kaapeleilla kytkettävät ADIN1100-pohjaiset lisäkortit (kuva 6).

Kuva 6: EVAL-SPoE-KIT-AZ-evaluointisarjaan kuuluu kattava valikoima kortteja ja kaapeleita LTC4296-1 PSE- ja LTC9111 PD -pohjaisten SPoE-sovellusten sekä ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY -laitteen arviointiin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LTC4296-1 PSE- ja LTC9111 PD -ohjaimet sekä ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY -laite mahdollistavat IEEE 802.3cg -yhteensopivien SPoE-ratkaisujen nopean toteutuksen, mutta aktiivisen jänniterajoituksen toteutus vaatii toisen Analog Devices -ratkaisun.

Aktiivisesti jänniterajoitettu PWM-ohjain

PoE PD -sovellusten virtalähteiden tehokkuutta parantavissa Analog Devices MAX5974-sarjan ohjaimissa yhdistyvät aktiivinen jännitteenrajoitus, hajaspektritoiminta ja virtatilan pulssileveysmodulaatio (Pulse-Width Modulation, PWM). MAX5974-sarjaan kuuluu useita erilaisia laiteversioita. Esimerkiksi MAX5974D on suunniteltu tukemaan lähdön regulointia käyttäen perinteistä takaisinkytkentää optoeristimen avulla. Sen sijaan MAX5974B on suunniteltu tukemaan lähdön regulointia ilman optoeristintä. Kytketyn induktorin lähdöstä voidaan muodostaa muuntimen tulojännite (IN) (kuva 7).

Kuva 7: Analog Devices MAX5974B yksinkertaistaa aktiivisesti rajoitetun muuntimen suunnittelua eliminoimalla optoeristimet takaisinkytkennästä ja tuottamalla muuntimen tulojännitteen (IN) kytketyn induktorin lähdöstä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

MAX5974-laitteisiin integroitu myötäkytketty ja maksimia käyttöjaksoa käyttävä rajoitin varmistaa, että maksimi rajoitusjännite pysyy linjajännitteestä riippumattomana transienttiolosuhteissa. Laitteen syklikohtainen virtarajoitus auttaa suojaamaan herkkää elektroniikkaa entisestään. Kun huippuvirtaraja saavutetaan ja se säilyy raja-arvoa pidemmän ajan, laite kytkee väliaikaisesti pois pääkytkimen hilaohjainlähdön (NDRV) ja aktiivisen rajoittimen kytkimen hilaohjainlähdön (AUXDRV), jotta ylikuormitusvirta voi dissipoitua, minkä jälkeen se yrittää pehmeää käynnistystä.

Monipuolinen lähestymistapa jännitepiikkisuojaukseen

Nämä tuotteet mahdollistavat Ethernet-verkkojen monipuolisen jännitepiikkisuojauksen. ADIN1100 mahdollistaa pitkät etäisyydet ja vähävirtaisen toiminnan, joten se voi toimia luotettavana perustana verkolle. LTC9111- ja LTC4296-ohjaimet ohjaavat yhdessä virransyöttöä ja tarjoavat suojauksen jännitepiikkejä vastaan sekä PD- että PSE-tasoilla. MAX5974 täydentää tätä kokoonpanoa mahdollistamalla tehokkaan virtamuunnoksen ja vähentämällä potentiaalista energiahukkaa jännitepiikkien aikana.

Näiden laitteiden koordinoidulla käytöllä kehittäjät voivat huomattavasti tehostaa Ethernet-verkkojen suojausta jännitepiikkejä vastaan. Tämä integroitu lähestymistapa suojaa laitteistoa sekä varmistaa keskeytyksettömän tiedonsiirron ja toiminnan.

Yhteenveto

Ethernet tarjoaa merkittäviä hyötyjä tiedonsiirtoon teollisuudessa, mutta pitkät kaapelit tekevät herkästä elektroniikasta haavoittuvaista jännitepiikeille. Kehittäjät voivat toteuttaa Analog Devices -yrityksen tarjoamien laitteiden ja kehitysresurssien avulla Ethernet-verkon, joka kestää jännitepiikkien vaikutuksia.