作者：Stephen Evanczuk

　　隨著以太網(wǎng)成為工業(yè)通信的支柱，其基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)雷擊等浪涌事件的敏感性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此類事件可能會(huì)引起接地環(huán)路和磁耦合電壓，從而可能導(dǎo)致操作系統(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，開(kāi)發(fā)人員需要一種強(qiáng)大的解決方案來(lái)保護(hù)敏感電子設(shè)備免受破壞性能量傳輸?shù)挠绊憽?/span>

　　本文簡(jiǎn)要介紹了浪涌如何影響電子系統(tǒng)。然后介紹Analog Devices的保護(hù)器件，并展示如何使用它們來(lái)緩解浪涌事件。

　　浪涌事件如何影響電子系統(tǒng)

　　電涌事件的發(fā)生有多種因素，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(huì)在電子系統(tǒng)中感應(yīng)出接地回路和磁耦合電壓。這種瞬態(tài)過(guò)壓可能會(huì)損壞敏感電子設(shè)備并擾亂關(guān)鍵操作。

　　電涌事件對(duì)電子系統(tǒng)的影響不僅僅限于暫時(shí)故障。這些高能量傳輸可能會(huì)對(duì)電路造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，從而導(dǎo)致昂貴的維修和系統(tǒng)停機(jī)。在以太網(wǎng)中，浪涌事件可能會(huì)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)性能降低，甚至系統(tǒng)完全故障。

　　以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)浪涌事件的敏感性源于其廣泛的覆蓋范圍和互連性質(zhì)。當(dāng)以太網(wǎng)電纜穿越長(zhǎng)距離時(shí)，它們會(huì)吸收環(huán)境中的電磁干擾，包括浪涌事件產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流，到達(dá)看似與浪涌點(diǎn)隔離的設(shè)備(圖 1a)。

　　圖 1：未受保護(hù)的以太網(wǎng)安裝很容易受到通過(guò)敏感電子器件的浪涌事件的影響 (a)，但使用保護(hù)平面等浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)方法可以為浪涌電流提供安全路徑 (b)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　開(kāi)發(fā)人員必須實(shí)施強(qiáng)大的浪涌保護(hù)措施，以保護(hù)敏感電子設(shè)備免受這些高能量傳輸?shù)挠绊?，確保系統(tǒng)的完整性和功能性。這涉及到使用浪涌保護(hù)設(shè)備來(lái)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵點(diǎn)，這些設(shè)備能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰繌拿舾薪M件中轉(zhuǎn)移出去，方法是接地或使用保護(hù)平面等技術(shù)安全地耗散能量(圖 1b)。

　　為了幫助在其連接的設(shè)備中構(gòu)建浪涌保護(hù)，開(kāi)發(fā)人員依靠先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，例如使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 的電壓鉗位、隔離方法、高頻濾波和其他技術(shù)。同時(shí)，成功的浪涌保護(hù)需要將這些技術(shù)與專用組件相結(jié)合，包括以太網(wǎng)物理層 (PHY) 設(shè)備、控制器和電源設(shè)備，旨在管理浪涌事件引起的應(yīng)力。

　　Analog Devices 的一套解決方案專門用于支持浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)滿足以太網(wǎng)連接設(shè)備中強(qiáng)大功能的特殊要求。

　　在以太網(wǎng)中構(gòu)建浪涌保護(hù)

　　對(duì)于從傳統(tǒng)通信過(guò)渡到基于以太網(wǎng)的連接的組織來(lái)說(shuō)，10BASE-T1L 物理層以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)提供了使用 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)連接工廠內(nèi)遠(yuǎn)程和危險(xiǎn)位置的邊緣設(shè)備所需的關(guān)鍵鏈路，每 10 兆比特。第二根 (Mbps) 單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 電纜。 Analog Devices 的ADIN1100是一款低功耗單端口收發(fā)器，旨在支持這些標(biāo)準(zhǔn)，支持最遠(yuǎn) 1,700 米 (m) 距離的以太網(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(jiǎn)化主機(jī)處理器與以太網(wǎng)的連接(圖 2)。

　　圖 2：ADIN1100 提供完整的 10BASE-T1L PHY，簡(jiǎn)化了工業(yè)系統(tǒng)到以太網(wǎng)的過(guò)渡。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　ADIN1100 的浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)具有集成電源監(jiān)控和加電復(fù)位 (POR) 電路，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)健性，確保即使在不穩(wěn)定條件下也能穩(wěn)定運(yùn)行。借助 Analog Devices 的EVAL-ADIN1100-EBZ評(píng)估板，開(kāi)發(fā)人員可以快速評(píng)估 ADIN1100 的性能并探索其他浪涌保護(hù)機(jī)制。

　　除了 LED 狀態(tài)指示燈、按鈕和接口連接之外，評(píng)估板還提供測(cè)試點(diǎn)、用于檢查替代電纜連接方法的小型原型設(shè)計(jì)區(qū)域以及可選的隔離變壓器或電源耦合電感器(圖 3)。

　　圖 3：EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 簡(jiǎn)化了 ADIN1100 性能的評(píng)估以及浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　工業(yè)以太網(wǎng)供電的設(shè)備控制器

　　Analog Devices LTC9111專為工業(yè) SPE 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一款符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的單對(duì)以太網(wǎng)供電 (SPoE) 受電設(shè)備控制器，具有 2.3 至 60 V 的寬工作電壓范圍。該器件支持受電設(shè)備 (PD) 和供電設(shè)備 (PSE) 共享有關(guān)所需功率等級(jí)信息的系統(tǒng)中的串行通信分類協(xié)議 (SCCP)。

　　LTC9111 支持 IEEE 802.3cg，旨在減少浪涌事件的影響，但在浪涌敏感應(yīng)用中使用該器件的開(kāi)發(fā)人員可以包括一個(gè)電壓鉗位器，例如 TVS 二極管。 TVS 與 ADIN1100 相結(jié)合，為實(shí)施可遠(yuǎn)距離運(yùn)行的 SPoE 解決方案提供了有效的解決方案(圖 4)。

　　圖 4：LTC9111 與 ADIN1100 相結(jié)合，簡(jiǎn)化了 SPoE 設(shè)計(jì)，僅需要幾個(gè)額外組件即可完成工業(yè)以太網(wǎng)連接的受電設(shè)備側(cè)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　SPoE PSE 控制器

　　對(duì)于 802.3cg 兼容應(yīng)用的電源側(cè)，LTC4296-1是一款五端口 SPoE PSE 控制器，專為與 24 或 54 V 系統(tǒng)中的 802.3cg PD 實(shí)現(xiàn)互操作性而設(shè)計(jì)。該器件具有 6 至 60 V 輸入電壓范圍，支持廣泛的保護(hù)功能，包括使用外部 N 溝道 MOSFET、折返模擬電流限制 (ACL)、可調(diào)源和返回電子斷路器等。為了獲得額外的浪涌保護(hù)，開(kāi)發(fā)人員可以添加 TVS 二極管(例如Littelfuse SMAJ58A)來(lái)緩解電源尖峰(圖 5)。

　　圖 5：LTC4296-1 五端口 SPoE 控制器作為 LTC9111 PD 控制器的補(bǔ)充，簡(jiǎn)化了工業(yè)以太網(wǎng)連接 PSE 側(cè)的設(shè)計(jì)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　使用 Analog Devices 的EVAL-SPoE-KIT-AZ評(píng)估套件，開(kāi)發(fā)人員可以快速獲得 PSE 控制器經(jīng)驗(yàn)。該套件使設(shè)計(jì)人員能夠研究完整的 IEEE 802.3 兼容 SPoE 應(yīng)用。它配備了基于 LTC4296-1 和 LTC9111 的主板，每個(gè)主板都托管通過(guò) SPE 電纜連接的基于 ADIN1100 的插件屏蔽(圖 6)。

　　圖 6：EVAL-SPoE-KIT-AZ 評(píng)估套件提供了一整套硬件板和電纜，用于評(píng)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(lái)源：Analog Devices)

　　雖然 LTC4296-1 PSE 控制器、LTC9111 PD 控制器和 ADIN1100 10BASE-T1L 以太網(wǎng) PHY 器件能夠快速實(shí)施符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的 SPoE 解決方案，但 Analog Devices 的另一個(gè)解決方案可滿足有源鉗位控制器的需求。

　　有源鉗位 PWM 控制器

　　Analog Devices 的MAX5974系列器件是有源鉗位、擴(kuò)頻、電流模式脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器，旨在提高 PoE PD 應(yīng)用中電源的效率。 MAX5974系列器件有多種型號(hào)。例如，MAX5974D設(shè)計(jì)用于支持使用傳統(tǒng)光耦合器反饋的輸出調(diào)節(jié)。相比之下，MAX5974B 的設(shè)計(jì)無(wú)需光耦合器即可支持輸出調(diào)節(jié)，同時(shí)使耦合電感器輸出能夠?qū)С鲛D(zhuǎn)換器電源輸入 (IN)(圖 7)。

　　圖 7：Analog Devices 的 MAX5974B 消除了反饋中的光耦合器，并從耦合電感器輸出中獲取轉(zhuǎn)換器輸入 (IN) 電壓，從而簡(jiǎn)化了有源鉗位轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。 (圖片來(lái)源：Analog Devices)

　　MAX5974器件中集成的前饋、最大占空比鉗位確保最大鉗位電壓在瞬態(tài)條件下保持與線路電壓無(wú)關(guān)。該器件的逐周期電流限制功能有助于進(jìn)一步保護(hù)敏感電子器件。當(dāng)器件檢測(cè)到已達(dá)到峰值電流限制并持續(xù)超過(guò)閾值持續(xù)時(shí)間時(shí)，它會(huì)暫時(shí)關(guān)閉其主開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)輸出 (NDRV) 和有源鉗位開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)輸出 (AUXDRV)，從而消除過(guò)載電流在嘗試軟啟動(dòng)之前。

　　應(yīng)用廣泛的浪涌保護(hù)方法

　　這些產(chǎn)品為以太網(wǎng)中的浪涌保護(hù)提供了廣泛的方法。 ADIN1100 確保長(zhǎng)距離和低功耗運(yùn)行，為網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 LTC9111 和 LTC4296 控制器協(xié)同工作，以管理功率傳輸并防止 PD 和 PSE 級(jí)別的浪涌。 MAX5974 補(bǔ)充了這一設(shè)置，確保高效的電源轉(zhuǎn)換并減少浪涌事件期間能源浪費(fèi)的可能性。

　　通過(guò)協(xié)調(diào)實(shí)施這些產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)人員可以顯著增強(qiáng)以太網(wǎng)的浪涌保護(hù)能力。這種集成方法可以保護(hù)硬件并確保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(shì)，但較長(zhǎng)的電纜線路使敏感電子設(shè)備容易受到浪涌事件的影響。使用 Analog Devices 的一組器件和開(kāi)發(fā)資源，開(kāi)發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn)能夠抵抗浪涌事件影響的以太網(wǎng)連接。