Ochrona sieci Ethernet przed zdarzeniami udarowymi

W miarę jak Ethernet staje się filarem komunikacji przemysłowej, podatność jego infrastruktury na udary, takie jak uderzenia piorunów, stanowi krytyczne wyzwanie. Takie incydenty mogą indukować pętle zwarciowe doziemne i sprzężone magnetycznie napięcia, potencjalnie paraliżując działające systemy techniczne.

Aby zachować integralność i funkcjonalność systemu urządzeń podłączonych do sieci Ethernet, deweloperzy potrzebują solidnego rozwiązania do ekranowania czułej elektroniki przed niszczącymi przejściami energii.

Niniejszy artykuł pokrótce opisuje wpływ udarów na systemy elektroniczne. Dalej przedstawia on ochronniki firmy Analog Devices i pokazuje sposób ich użycia do łagodzenia skutków przepięć.

Wpływ udarów na systemy elektroniczne

Udar może być spowodowany kilkoma czynnikami, z których najbardziej dramatycznym i niszczycielskim jest uderzenie pioruna. Uderzenie pioruna, nawet w odległości kilku kilometrów, może indukować doziemne pętle zwarciowe i napięcia sprzężone magnetycznie w systemach elektronicznych. Ten stan nieustalony nadmiernego napięcia może uszkodzić czułą elektronikę i zakłócić krytyczne funkcje.

Oddziaływanie zdarzeń udarowych na systemy elektroniczne wykracza poza usterkę chwilową. Te przejścia wysokich poziomów energii mogą powodować nieodwracalne uszkodzenia obwodów, prowadząc do kosztownych napraw i przestojów systemu. W sieciach Ethernet udary mogą uszkadzać sprzęt sieciowy i podłączone urządzenia, prowadząc do utraty danych, pogorszenia działania systemu, a nawet jego całkowitej awarii.

Podatność infrastruktury sieci Ethernet na udary wynika z jej rozległego zasięgu i istnienia wzajemnych połączeń. Ponieważ kable Ethernet rozciągają się na duże odległości, odbierają zaburzenia elektromagnetyczne ze środowiska, w tym indukowane napięcia i prądy ze zdarzenia udarowego, które docierają do urządzeń pozornie odizolowanych od miejsca wystąpienia udaru (ilustracja 1a).

Ilustracja 1: niezabezpieczona instalacja Ethernet jest podatna na zdarzenia udarowe przechodzące przez wrażliwe układy elektroniczne (a), ale zastosowanie metod konstrukcyjnych ochrony przeciwprzepięciowej, takich jak warstwy ochronne, może zapewnić bezpieczną drogę dla prądów udarowych (b). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Deweloperzy muszą wdrożyć solidne środki ochrony przeciwprzepięciowej, aby ekranować wrażliwą elektronikę przed przejściami wysokich poziomów energii, zapewniając integralność i funkcjonalność systemu. Obejmuje to ochronę krytycznych punktów w sieci za pomocą ochronników przeciwprzepięciowych, które są w stanie przekierować nadmiar energii z dala od wrażliwych komponentów poprzez uziemienie, albo bezpieczne rozpraszanie za pomocą technik takich jak warstwy ochronne (ilustracja 1b).

Aby zintegrować ochronę przeciwprzepięciową z podłączonymi urządzeniami, deweloperzy polegają na zaawansowanych metodach projektowania, takich jak ograniczniki przepięciowe (TVS), rozwiązania izolacyjne, filtrowanie wysokiej częstotliwości i inne techniki. Jednocześnie skuteczna ochrona przeciwprzepięciowa wymaga połączenia tych technik ze specjalistycznymi komponentami, w tym urządzeniami warstwy fizycznej (PHY) sieci Ethernet, kontrolerami i źródłami zasilania, zaprojektowanymi do zarządzania obciążeniami wywołanymi przez udary.

Zestaw rozwiązań firmy Analog Devices został specjalnie zaprojektowany, aby wspierać metody projektowania ochrony przeciwprzepięciowej, spełniając jednocześnie specjalistyczne wymagania dotyczące solidnej funkcjonalności w urządzeniach podłączonych do sieci Ethernet.

Integrowanie ochrony przeciwprzepięciowej w sieciach Ethernet

Dla organizacji przechodzących ze starszego typu komunikacji na łączność opartą na sieci Ethernet, pojawienie się standardu 10BASE-T1L w warstwie fizycznej Ethernet zapewnia krytyczne łącze potrzebne do połączenia urządzeń brzegowych w odległych i niebezpiecznych lokalizacjach w fabryce przy użyciu standardu IEEE 802.3cg z przepustowością 10Mbps przez jednoparowy kabel Ethernet (SPE). Zaprojektowany do obsługi tych standardów nadajniko-odbiornik ADIN1100 firmy Analog Devices to jednoportowy moduł komunikacyjny o niskim poborze mocy, który umożliwia łączność w sieci Ethernet na odległość do 1700m. Pobierając zaledwie 39mW, ADIN1100 łączy w sobie wszechstronną architekturę funkcjonalną z interfejsem sprzętowym zaprojektowanym w celu uproszczenia podłączenia procesora hosta do sieci Ethernet (ilustracja 2).

Ilustracja 2: ADIN1100 zawiera kompletny układ 10BASE-T1L PHY, upraszczając przejście systemów przemysłowych do sieci Ethernet. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Konstrukcja ochrony przeciwprzepięciowej ADIN1100 ze zintegrowanym monitorowaniem stanu zasilacza i resetowaniem w momencie włączenia zasilania (POR) poprawia odporność systemu, zapewniając stabilną pracę nawet w zmiennych warunkach. Dzięki płytce ewaluacyjnej EVAL-ADIN1100-EBZ firmy Analog Devices, deweloperzy mogą szybko ocenić parametry działania ADIN1100 i zbadać dodatkowe mechanizmy ochrony przeciwprzepięciowej.

Oprócz wskaźników LED stanu, przycisków i połączeń interfejsu, płytka ewaluacyjna zapewnia punkty pomiarowe, niewielki obszar do prototypowania służący do badania alternatywnych metod łączenia kabli oraz opcjonalne transformatory izolacyjne lub cewki sprzęgające (ilustracja 3).

Ilustracja 3: płytka ewaluacyjna EVAL-ADIN1100-EBZ urządzenia ADIN1100 upraszcza ocenę parametrów jego działania i eksperymentowanie z mechanizmami ochrony przeciwprzepięciowej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Kontroler urządzeń działający w oparciu o przemysłową sieć Ethernet

Zaprojektowane pod kątem przemysłowych zastosowań SPE, urządzenie LTC9111 firmy Analog Devices jest zgodnym ze standardem IEEE 802.3cg, jednoparowym kontrolerem urządzeń zasilanych przez Ethernet (SPoE) o szerokim zakresie pracy od 2,3 do 60V. Urządzenie obsługuje protokół klasyfikacji komunikacji szeregowej (SCCP) w systemach, w których urządzenie zasilane (PD) i urządzenie zasilające (PSE) udostępniają informacje o wymaganych klasach zasilania.

Dzięki obsłudze standardu IEEE 802.3cg urządzenie LTC9111 może ograniczać wpływ zdarzeń udarowych, ale deweloperzy korzystający z urządzenia w zastosowaniach wrażliwych na udary mogą dołączyć ogranicznik napięcia, taki jak dioda TVS. Ochronnik TVS użyty w połączeniu z urządzeniem ADIN1100 zapewnia skuteczne rozwiązanie do wdrażania rozwiązań SPoE, które mogą działać na duże odległości (ilustracja 4).

Ilustracja 4: łączne zastosowanie urządzeń ADIN1100 oraz LTC9111 upraszcza projekty SPoE, wymagając tylko kilku dodatkowych komponentów do uzupełnienia strony urządzenia zasilanego (PD) w przemysłowej sieci Ethernet. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Kontroler SPoE urządzenia zasilającego (PSE)

Po stronie źródła zasilania w zastosowaniach zgodnych ze standardem 802.3cg LTC4296-1 znajduje się pięcioportowy kontroler SPoE urządzenia zasilającego (PSE), zaprojektowany do współpracy z urządzeniami zasilanymi (PD) 802.3cg w instalacjach 24 lub 54V. Urządzenie charakteryzuje się zakresem napięcia wejściowego od 6 do 60V i obsługuje szeroki zestaw funkcji ochronnych, w tym wykorzystanie zewnętrznych tranzystorów MOSFET z kanałem N, analogowego ograniczania prądu (ACL) z podcięciem, regulowanych wyłączników elektronicznych źródła i powrotu i wielu innych. W celu dodatkowej ochrony przeciwprzepięciowej deweloperzy mogą dodać diodę TVS, na przykład Littelfuse SMAJ58A, aby złagodzić skoki zasilania (ilustracja 5).

Ilustracja 5: uzupełniając kontroler LTC9111 urządzeń zasilanych (PD), pięcioportowy kontroler SPoE LTC4296-1 upraszcza projektowanie strony urządzenia zasilającego (PSE) połączenia w przemysłowej sieci Ethernet. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Korzystając z zestawu ewaluacyjnego EVAL-SPoE-KIT-AZ firmy Analog Devices, deweloperzy mogą szybko zyskać doświadczenie w dziedzinie kontrolerów urządzeń zasilających (PSE). Zestaw umożliwia projektantom zbadanie kompletnego zastosowania SPoE zgodnego ze standardem IEEE 802.3. Jest on dostarczany z płytami głównymi opartymi na urządzeniach LTC4296-1 i LTC9111. Każda z nich zawiera nakładki oparte na urządzeniu ADIN1100, które łączą się za pomocą kabla jednoparowego Ethernet (SPE) (ilustracja 6).

Ilustracja 6: zestaw ewaluacyjny EVAL-SPoE-KIT-AZ zawiera kompletny zestaw płytek sprzętowych i kabli do oceny zastosowania SPoE opartego na kontrolerach LTC4296-1 urządzenia zasilającego (PSE) i LTC9111 urządzenia zasilanego (PD) oraz urządzeniu ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet w warstwie fizycznej (PHY)). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Chociaż kontroler LTC4296-1 urządzenia zasilającego (PSE), kontroler LTC9111 urządzenia zasilanego (PD) i urządzenie ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet w warstwie fizycznej (PHY) umożliwiają szybką implementację rozwiązań SPoE zgodnych ze standardem IEEE 802.3cg, inne rozwiązanie firmy Analog Devices odpowiada na zapotrzebowanie na kontrolery z aktywnym ograniczaniem.

Kontroler PWM z aktywnym ograniczaniem

Zaprojektowane w celu zwiększenia wydajności źródeł zasilania urządzeń zasilanych przez Ethernet (PoE PD), urządzenia z serii MAX5974 firmy Analog Devices są kontrolerami wykorzystującymi modulację szerokości impulsu (PWM) w trybie prądowym o widmie rozproszonym. Urządzenia z serii MAX5974 oferowane są w wielu odmianach. Na przykład wariant MAX5974D został zaprojektowany do obsługi regulacji wyjścia przy użyciu tradycyjnego sprzężenia zwrotnego sprzęgacza optycznego. W przeciwieństwie do tego, wariant MAX5974B został zaprojektowany do obsługi regulacji wyjścia bez sprzęgacza optycznego, jednocześnie umożliwiając sprzężonej cewce indukcyjnej sterowanie wejściem zasilającym konwerter (IN) (ilustracja 7).

Ilustracja 7: urządzenie MAX5974B firmy Analog Devices upraszcza konstrukcję konwertera z aktywnym ograniczaniem poprzez wyeliminowanie sprzęgaczy optycznych w sprzężeniu zwrotnym i sterowanie napięciem wejściowym konwertera (IN) z wyjścia sprzężonej cewki indukcyjnej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ograniczenie maksymalnego cyklu roboczego ze sprzężeniem wyprzedzającym zintegrowane w urządzeniach MAX5974 zapewnia, że maksymalne napięcie ograniczające pozostaje niezależne od napięcia linii podczas stanów nieustalonych. Funkcja ograniczania prądu w każdym cyklu pomaga dodatkowo chronić czułą elektronikę. Gdy urządzenie wykryje, że wartość graniczna prądu szczytowego została osiągnięta i utrzymywała się przez czas dłuższy od wartości progowej, tymczasowo wyłącza wyjście sterownika bramki głównego przełącznika (NDRV) i wyjście sterownika bramki przełącznika ograniczania aktywnego (AUXDRV), umożliwiając rozpraszanie prądu przeciążeniowego przed próbą płynnego uruchomienia.

Zastosowanie szerokiego podejścia do ochrony przeciwprzepięciowej

Omawiane produkty umożliwiają szerokie podejście do ochrony przeciwprzepięciowej w sieciach Ethernet. Urządzenie ADIN1100 zapewnia daleki zasięg i niskie zużycie energii, służąc jako solidny fundament dla sieci. Kontrolery LTC9111 i LTC4296 pracują w tandemie, zarządzając zasilaniem i chroniąc przed przepięciami zarówno na poziomie urządzenia zasilanego (PD), jak i zasilającego (PSE). Urządzenie MAX5974 uzupełnia tę konfigurację, zapewniając sprawność konwersji mocy i zmniejszając potencjalne straty energii podczas zdarzeń udarowych.

Poprzez skoordynowane wdrożenie tych produktów, deweloperzy mogą znacznie zwiększyć wytrzymałość przeciwprzepięciową sieci Ethernet. Takie zintegrowane podejście zabezpiecza sprzęt i zapewnia nieprzerwaną komunikację oraz ciągłość operacyjną.

Podsumowanie

Ethernet oferuje znaczące korzyści w komunikacji przemysłowej, jednak długie kable narażają czułą elektronikę na zdarzenia udarowe. Korzystając z zestawu urządzeń i zasobów deweloperskich firmy Analog Devices, deweloperzy mogą szybko wdrożyć łączność Ethernet zdolną do wytrzymania skutków zdarzeń udarowych.