Πώς να αποτρέψετε την απειλή μεταβατικής τάσης της διασύνδεσης PoE χρησιμοποιώντας Διαφορική λειτουργία

- Aug 14, 2019-

Με την ταχεία ανάπτυξη του Ethernet στον τομέα της δικτύωσης, ο αριθμός των συστημάτων που χρησιμοποιούν PoE (Ethernet τροφοδοσία) στις 10/100 και GB θύρες αυξάνεται επίσης γρήγορα. Τα οφέλη και τα πλεονεκτήματα κόστους της παροχής ενέργειας σε απομακρυσμένες συσκευές μέσω καλωδίων Ethernet επιτρέπουν την εφαρμογή πολλών εφαρμογών (συμπεριλαμβανομένης της IP τηλεφωνίας, ψηφιακής επιτήρησης βίντεο, σημείων πρόσβασης WLAN και άλλων συστημάτων σύνδεσης χαμηλής τάσης).

  

Τα τυπικά συστήματα PoE χρησιμοποιούν εξοπλισμό τροφοδοσίας ισχύος (PSE) για την αποστολή τάσης συνεχούς ρεύματος σε απομακρυσμένο εξοπλισμό λήψης (PD) μέσω συνεστραμμένου ζεύγους Ethernet. Καθώς το σύστημα PoE συχνά απειλείται από παροδική τάση, ένα από τα σημαντικά ζητήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη στο σχεδιασμό είναι η προστασία του πομποδέκτη φυσικής στρώσης (PHY) του Ethernet από την επίδραση υπέρτασης.

  Με την ανάπτυξη εφαρμογών PoE, το μέγεθος του Ethernet PHY συρρικνώνεται γρήγορα. Προς το παρόν, το Ethernet PHY κατασκευάζεται ως επί το πλείστον με τεχνολογία 90 nm, αλλά οι κατασκευαστές chip θα εισαγάγουν σύντομα μικρότερα προϊόντα που κατασκευάζονται με τεχνολογία 65 nm. Τα στοιχεία δείχνουν ότι δεν είναι πρακτικό να εφαρμοστεί αποτελεσματική προστασία ESD σε CMOS με αυτές τις προηγμένες τεχνολογίες κατασκευής, επειδή η περιοχή των τσιπ είναι πολύ μικρή για να παρέχει ανθεκτικότητα σε επίπεδο συστήματος και το κόστος επίτευξης αποτελεσματικής προστασίας σε τσιπ είναι υπερβολικά υψηλό. Προκειμένου να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις των παγκόσμιων προτύπων και να εξασφαλίσει την αξιοπιστία του συστήματος, ο τρέχων σχεδιασμός του συστήματος βασισμένος στο Ethernet απαιτεί ολοένα και μεγαλύτερη προστασία από κύκλωμα εκτός τσιπ.

Απειλή μεταβατικής τάσης

image

Η διασύνδεση Ethernet είναι ευάλωτη σε διάφορα μεταβατικά γεγονότα υπέρτασης, τα οποία συνηθέστερα είναι η ηλεκτροστατική εκφόρτιση (ESD), η εκφόρτιση καλωδίων και η έκρηξη κεραυνού. Επιπλέον, στο σύστημα PoE, η μετάδοση ισχύος DC μέσω συνεστραμμένου ζεύγους οδηγεί σε ορισμένες ειδικές παροδικές βλάβες που προκαλούνται από τη σύνδεση διαφορικού τρόπου λειτουργίας.

  Ο ESD είναι ένας πολύ γρήγορος παροδικός παλμός. Σύμφωνα με το μοντέλο που δίνεται από το πρότυπο IEC61000-4-2, ο χρόνος ανόδου της κυματομορφής ESD είναι 700 picoseconds έως 1 nanosecond και η διάρκεια παλμού από το ρεύμα κορυφής στο 50% είναι 60 nanoseconds. Οι μεγάλες αιχμές ρεύματος και η παροδική ενέργεια μπορεί να καταστρέψουν τη δομή εισόδου υπομικρομέτρων των τσιπ πυριτίου.

   Η εκφόρτιση του καλωδίου (CDE) ή η ηλεκτροστατική εκφόρτιση καλωδίων (CESD) συμβαίνει όταν το καλώδιο Ethernet φορτίζεται κάτω από το συμβατικό περιβάλλον, όπως το φορτισμένο με τριβή αποτέλεσμα ή επαγωγή. Είναι επικίνδυνο να εισάγετε ζωντανά καλώδια στη διασύνδεση του συστήματος. Το γεγονός δείχνει ότι το καλώδιο που εκφορτίζεται στη θύρα Ethernet μέσω του μαγνητικού καναλιού Ethernet θα σχηματίσει αρκετούς διαφορετικούς τρόπους υπέρτασης. Παρόμοια με την ESD, ο χρόνος ανόδου του κύματος εκφόρτισης του καλωδίου είναι πολύ μικρός (λιγότερο από 1 νανοδευτερόλεπτο), αλλά σε αντίθεση με την ESD, η δευτερεύουσα κυματομορφή ταλαντώνεται ταχέως και διαρκεί πολύ. Για τους σχεδιαστές Ethernet, η ενέργεια στις κυματομορφές εκφόρτισης καλωδίων μπορεί να προκαλέσει σοβαρότερα προβλήματα από την ηλεκτροστατική εκφόρτιση του ανθρώπου.

  Το κύμα της αστραπής είναι μια κοινή απειλή στη σύνδεση δικτύου. Οι κραδασμοί από κεραυνούς μπορούν να δημιουργήσουν παλμούς υψηλής τάσης που μπορούν να μεταδοθούν σε Ethernet PHY μέσω της γραμμής Ethernet. Σε αντίθεση με τα γεγονότα ESD σε νανοδευτερόλεπτα, οι κεραυνοβόλοι διαρκούν για χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η βιομηχανία EMC περιγράφει τέτοιους παλμούς από την άποψη του χρόνου ανόδου (χιλιοστά του δευτερολέπτου), του μέγιστου παλμικού ρεύματος και του χρόνου πτώσης. Η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι μερικές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από εκείνη της ηλεκτροπληξίας ESD.

   Διαδικασία μεταβατικής απόκρισης σε εφαρμογές PoE

 

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η προστασία της διασύνδεσης PoE μπορεί να είναι ιδιαίτερα προκλητική, καθώς εκτός από τη μεταβατική διαδικασία που προκαλείται από ESD και απότομη αύξηση, υπάρχουν πολλές κοινές καταστάσεις που μπορούν να προκαλέσουν διαφορικές υπερτάσεις στη γραμμή μεταφοράς Ethernet όταν συνδέεται σε DC. Αυτό φυσικά θα προκαλέσει καταστροφικές αποτυχίες ή προβλήματα για το PHY και σοβαρές διαταραχές μπορεί να προκαλέσουν ζημιά στο IC.

   Οι περισσότεροι σχεδιαστές κυκλώματος PoE λαμβάνουν κάποια μορφή προστασίας κοινής λειτουργίας για την προστασία του κυκλώματος PoE. Οι πυκνωτές κοινής λειτουργίας που είναι συνδεδεμένοι με το έδαφος ή τους μεταγωγικούς διακόπτες τάσης TVS που συνδέονται και στα δύο άκρα της τροφοδοσίας, που βασίζονται σε πολύ γρήγορες διόδους Schottky σε συνεχές ρεύμα προς το έδαφος, χρησιμοποιούνται συνήθως. Ωστόσο, πολλοί σχεδιαστές αγνοούν λανθασμένα την προστασία διαφορικού τρόπου λειτουργίας. Το διαφορικό ζεύγος Ethernet απομονώνει PHY από το εξωτερικό περιβάλλον χρησιμοποιώντας μετασχηματιστές ή τρέχουσα καταστολή κοινού τρόπου λειτουργίας. Οι μετασχηματιστές μπορούν να παρέχουν υψηλής συχνότητας απομόνωση κοινής λειτουργίας για εξωτερικές τάσεις, αλλά δεν μπορούν να παράσχουν προστασία για μεταλλικές ή διαφορικές υπερτάσεις.

 

Το σύστημα PoE έχει τάση + 48V ή - 48V σε διαφορικό ζεύγος. Στην ευθυγράμμιση της γραμμής σήματος, αυτή η τάση συνεχούς ρεύματος είναι δημόσια, οπότε η τάση διαφορικής DC είναι 0 βολτ. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, η σύνδεση μπορεί να εισαγάγει παροδικές διαδικασίες.

   Για παράδειγμα, η εμπλοκή των ακίδων δεν μπορεί να συμβεί συγχρόνως όταν συνδέσεις RJ-45 γίνονται μεταξύ εξοπλισμού τροφοδοσίας και εξοπλισμού λήψης ισχύος. Όταν ο ακροδέκτης RJ-45 έρθει σε επαφή με τον ακροδέκτη, ο ακροδέκτης 1 μπορεί να συμβεί νωρίτερα ή αργότερα από τον ακροδέκτη 2. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μια διαφορική διαδικασία 48V στο ζεύγος γραμμών, η οποία θα βλάψει ή θα βλάψει το PHY του κυκλώματος PoE. Παρόμοιες καταστάσεις εμφανίζονται όταν ένας χρήστης μεταβαίνει μια σύνδεση από μια ήδη τροφοδοτούμενη συσκευή σε μια συσκευή χωρίς ενέργεια στην ίδια θύρα τροφοδοσίας. Όταν η συσκευή τροφοδοσίας ανιχνεύει ότι έχει συνδεθεί μια μη ενεργοποιημένη συσκευή, θα υπάρξει καθυστέρηση όταν η συσκευή τροφοδοσίας τερματίζει την τροφοδοσία του πρώτου. Σε αυτήν την περίπτωση, η ισχύς μπορεί να διαρκέσει αρκετό διάστημα ώστε να σχηματίσει μια διαφορική τάση 48V με μη ταυτόχρονη σύνδεση ακίδων. Η μεταβατική λειτουργία διαφορικού που προκαλείται από αυτή την κατάσταση μπορεί να προκαλέσει βλάβη ή βλάβη στο PHY.

   Δίοδοι καταστολής τάσης παροδικής τάσης (TVS)

   Προφανώς, επειδή η δομή του PoE εκτίθεται σε σκληρές περιβαλλοντικές απειλές, πρέπει να προστατεύεται από κυκλώματα εκτός τσιπ. Η δίοδος TVS χαμηλής τάσης είναι μια ώριμη τεχνολογία προστασίας για τον πομποδέκτη Ethernet. Η δίοδος έχει ταχύτητα απόκρισης (υπο-νανοδευτερόλεπτα), χαμηλή χωρητικότητα και χαμηλή τάση σύσφιξης και είναι πολύ κατάλληλη για να αντιστέκεται σε διάφορες παροδικές υπερτάσεις.

  

Προκειμένου να παρέχεται διαφοροποιημένη προστασία για τα κυκλώματα PoE, ένα αποτελεσματικό σύστημα προστασίας από δίοδο TVS πρέπει να είναι σε θέση να συσφίγγει το παροδικό / κύμα και να παρουσιάζει τη μικρότερη χωρητικότητα φορτίου στη διασύνδεση. Το TVS πρέπει να παρέχει χαμηλή τάση σύσφιξης και, κατά γενικό κανόνα, η χωρητικότητα γραμμής-γραμμής δεν πρέπει να υπερβαίνει αρκετές μεθόδους δέρματος. Επιπλέον, ως μοναδική απαίτηση του κυκλώματος PoE, η διαμόρφωση του TVS πρέπει να εξετάσει την ύπαρξη τάσης +/- 48V DC μεταξύ των ζευγών on-line. Λόγω της υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος μεταξύ διαφορετικών ζευγών καλωδίων, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενσωματωμένες διατάξεις διόδων ή συσκευές γέφυρας TVS που σχηματίζουν ηλεκτρικές διαδρομές μεταξύ οποιωνδήποτε ζευγών συρμάτων. Τα διαφορικά ζεύγη πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένα.

  

Παρατίθεται ένα παράδειγμα του προγράμματος POE TVS που εφαρμόζει το Semtech RClamp 0524S για να αντισταθεί σε παροδικό διαφορικό. Κατά την εφαρμογή του κυκλώματος προστασίας PoE, υπάρχουν μερικά πλεονεκτήματα της τοποθέτησης του κυκλώματος προστασίας στην πλευρά τροφοδοσίας: δεν μπορεί μόνο να προστατεύσει το κύκλωμα του μεταγωγέα ισχύος, αλλά και να αποφύγει το παροδικό ρεύμα που ρέει μέσω του μετασχηματιστή. Εφόσον οποιαδήποτε πρόσθετη αυτεπαγωγή αυξάνει την τάση της ESD στη δίοδο TVS, το TVS πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στον συνδετήρα. Οι συστοιχίες TVS σε αυτό το παράδειγμα έχουν μικρή χωρητικότητα μεταξύ γραμμών και επειδή αυτά τα ζεύγη διόδων διαχωρίζονται στη συσκευασία, παρέχουν επίσης την απαραίτητη απομόνωση γραμμής για να απομονώσουν την τάση 48V μεταξύ διαφορικών ζευγών. Επιπλέον, η διάταξη ροής που φαίνεται στο σχήμα 3 μειώνει τη συνολική αυτεπαγωγή στην παροδική διαδρομή και διευκολύνει τη διάταξη του PCB.


Ένα ζευγάρι:Ποια είναι η διαφορά ανάμεσα σε έναν διακόπτη βιομηχανικής κλάσης και έναν συνήθη διακόπτη; Επόμενη:Επιλογή μάρκας βιομηχανικών διακοπτών OPTFOCUS