如何保護以太網免受電涌事件的影響

以太網成為工業通信的支柱，其基礎設施對電涌事件(如雷擊)的敏感性構成了嚴峻挑戰。這種事故會引起接地回路和磁耦合電壓，可能會使操作技術系統癱瘓。

為了保持以太網連接設備的系統完整性和功能性，開發人員需要一種強大的解決方案來保護敏感電子設備免受破壞性能量傳輸的影響。

本文簡要介紹電涌如何影響電子系統。然后，它引入了來自的保護設備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

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中引起接地回路和磁耦合電壓。這種瞬態過電壓會損壞敏感的電子設備并中斷關鍵操作。

電涌事件對電子系統的影響不僅僅是暫時的故障。這些高能轉移會對電路造成不可逆的損壞，導致昂貴的維修和系統停機。在以太網中，浪涌事件會損壞網絡硬件和連接的設備，導致數據丟失、系統性能下降，甚至整個系統發生故障。

以太網基礎設施易受電涌事件的影響源于其廣泛的覆蓋范圍和互聯性。以太網電纜長距離傳輸時，會從環境中拾取電磁干擾，包括浪涌事件產生的感應電壓和電流，到達看似與浪涌點隔離的設備(圖1a)。

圖1:未受保護的以太網安裝容易受到流經敏感電子設備的浪涌事件的影響(a)，但使用保護層等浪涌保護設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的影響，確保系統的完整性和功能性。這包括使用浪涌保護器件保護網絡中的關鍵點，浪涌保護器件能夠將多余的能量從敏感元件轉移出去，方法是將其接地或使用保護層等技術安全地耗散掉多余的能量(圖1b)。

為了幫助在連接的設備中構建浪涌保護，開發人員依賴先進的設計方法，例如使用瞬態電壓抑制器(TVS)的電壓箝位、隔離方法、高頻濾波和其他技術。同時，成功的電涌保護需要將這些技術與專門的組件相結合，包括以太網物理層(PHY)設備、控制器和電源設備，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計方法而設計，同時滿足以太網連接設備對穩定功能的特殊要求。

在以太網中構建電涌保護

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

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

ADIN1100的浪涌保護設計集成電源監控和上電復位（POR）電路，有助于提高系統穩定性，確保即使在動蕩條件下也能穩定工作。ADI公司的EVAL-阿丁1100-EBZ評估板，開發人員可以快速評估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計機制的實驗。（圖片來源:ADI公司）

工業以太網供電的設備控制器

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

LTC9111支持IEEE 802.3cg，旨在降低浪涌事件的影響，但在浪涌敏感應用中使用該器件的開發人員可以使用TVS二極管等電壓箝位器件。TVS與ADIN1100相結合，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相結合，簡化了SPoE設計，只需少量額外元件即可完成工業以太網連接的受電設備端。（圖片來源:ADI公司）

斯波PSE控制器

對于802.3cg兼容應用的電源端LTC4296-1是一款五端口SPoE PSE控制器，旨在與24或54伏系統中的802.3cg PDs實現互操作性。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）、可調源和回路電子斷路器等。為了提供額外的浪涌保護，開發人員可以添加一個TVS二極管，例如利特福斯 SMAJ58A緩解供應高峰（圖5）。

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

使用ADI公司的產品EVAL-斯波-基特-阿茲評估套件，開發人員可以快速獲得PSE控制器的經驗。該套件使設計人員能夠研究完整的符合IEEE 802.3標準的SPoE應用。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PHY器件的SPoE應用。（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制（PWM）控制器。MAX5974系列設備有多種型號。例如，在MAX5974D旨在利用傳統光耦合器反饋支持輸出調節。相比之下MAX5974B旨在支持無光耦合器的輸出調節，同時使耦合電感輸出能夠獲得轉換器電源輸入（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換器輸入（in）電壓，從而簡化了有源箝位轉換器設計。（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超過閾值持續時間時，它會暫時關斷主開關柵極驅動輸出（NDRV）和有源箝位開關柵極驅動輸出（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

這些產品為以太網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，為網絡奠定堅實的基礎。LTC9111和LTC4296控制器協同工作，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換和減少浪涌事件期間的潛在能源浪費來補充這一設置。

通過協調實施這些產品，開發人員可以顯著增強以太網的浪涌保護能力。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性。

結論

以太網為工業通信提供了顯著的優勢，但過長的電纜布線使敏感的電子設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資源，開發人員可以快速實現能夠抵御浪涌事件影響的以太網連接。

審核編輯 黃宇