如何保護以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )免受浪涌事件影響

以太網(wǎng)成為工業(yè)通信的骨干網(wǎng)對我們提出了嚴峻的挑戰，因為其基礎設施容易受到雷擊等浪涌事件的影響。此類(lèi)事故會(huì )引發(fā)接地回路和磁耦合電壓，可能導致操作技術(shù)系統癱瘓。

為了保持以太網(wǎng)連接設備的系統完整性和功能性，開(kāi)發(fā)人員需要一種強大的解決方案來(lái)保護敏感電子元件，使其免受破壞性能量傳遞的影響。

本文簡(jiǎn)要介紹了浪涌如何影響電子系統。隨后介紹了 Analog Devices 的保護器件，并說(shuō)明了如何使用這些器件來(lái)減少浪涌事件。

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，而雷擊則是其中最鮮明且最具破壞性的因素。即使在幾英里之外，雷擊也會(huì )在電子系統中引發(fā)接地回路和磁耦合電壓。這種瞬態(tài)過(guò)電壓會(huì )損壞敏感電子元件，并使關(guān)鍵操作中斷。

浪涌事件對電子系統的影響遠不止當下發(fā)生的暫時(shí)性故障。這些高能量傳遞會(huì )對電路造成不可逆轉的損壞，導致代價(jià)高昂的維修和系統停機事件。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中，浪涌事件會(huì )損壞聯(lián)網(wǎng)硬件和相連設備，導致數據丟失、系統性能下降，甚至讓系統完全癱瘓。

以太網(wǎng)基礎設施之所以容易受到浪涌事件的影響，是因為其覆蓋范圍廣且相互連接。由于以太網(wǎng)電纜需要長(cháng)距離鋪設，這些電纜會(huì )接收到來(lái)自環(huán)境的電磁干擾，包括浪涌事件產(chǎn)生的感應電壓和電流，進(jìn)而傳遞至看似與浪涌點(diǎn)隔離的設備（圖 1a）。

圖 1：未受保護的以太網(wǎng)裝置容易受到浪涌事件的影響，進(jìn)而傳遞至敏感電子元件 (a)，但采用防護平面等浪涌保護設計方法可以為浪涌電流提供安全通路 (b)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

開(kāi)發(fā)人員必須采取強有力的浪涌保護措施，使敏感電子元件免受這些高能量傳遞的影響，確保系統的完整性和功能性。這包括使用浪涌保護器來(lái)保護網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵點(diǎn)，此類(lèi)器件可通過(guò)使能量流入大地或采用防護平面等方法安全地耗散能量，將多余的能量從敏感元器件上轉移出去（圖 1b）。

要想在相連設備中構建浪涌保護功能，開(kāi)發(fā)人員可依賴(lài)先進(jìn)的設計方法，例如使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 鉗制電壓、隔離方法、高頻濾波以及其他方法。同時(shí)，成功的浪涌保護需要將這些方法與專(zhuān)用元器件相結合，其中包括以太網(wǎng)物理層 (PHY) 器件、控制器，以及專(zhuān)為管理浪涌事件引發(fā)的應力而設計的供電設備。

Analog Devices 提供一套解決方案，專(zhuān)門(mén)設計用于支持浪涌保護設計方法，同時(shí)還可滿(mǎn)足以太網(wǎng)連接設備對強大功能的專(zhuān)業(yè)要求。

在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中構建浪涌保護功能

對于從傳統通信過(guò)渡到以太網(wǎng)連接的組織而言，10BASE-T1L 物理層以太網(wǎng)標準的出現為使用符合 IEEE 802.3cg 標準的 10 Mbps 單對以太網(wǎng) (SPE) 電纜連接工廠(chǎng)內偏遠和危險場(chǎng)所的邊緣設備提供了所需的關(guān)鍵鏈路。Analog Devices 的 ADIN1100 專(zhuān)為支持這些標準而設計，是一款低功耗的單端口收發(fā)器，支持最遠 1,700 m 的以太網(wǎng)連接。功耗只有 39 mW，ADIN1100 將綜合功能架構與硬件接口相結合，旨在簡(jiǎn)化主機處理器與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的連接（圖 2）。

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

ADIN1100 的浪涌保護設計集成了電源監控和上電復位 (POR) 電路，有助于提高系統穩健性，即使在不穩定的條件下也能確保穩定運行。利用 Analog Devices 的 EVAL-ADIN1100-EBZ 評估板，開(kāi)發(fā)人員可以快速評估 ADIN1100 的性能并探索其他浪涌保護機制。

除了 LED 狀態(tài)指示燈、按鈕和接口連接外，該評估板還提供測試點(diǎn)、用于檢查其他電纜連接方法的小型原型開(kāi)發(fā)區域，以及可選配的隔離變壓器或功率耦合電感器（圖 3）。

圖 3：EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 可簡(jiǎn)化 ADIN1100 的性能評估和浪涌保護設計機制實(shí)驗。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

工業(yè)以太網(wǎng)供電設備控制器

Analog Devices 的 LTC9111 專(zhuān)為工業(yè) SPE 應用而設計，是一款符合 IEEE 802.3cg 標準的單對以太網(wǎng)供電 (SPoE) 設備控制器，具有 2.3 V 至 60 V 的寬工作電壓范圍。在用電設備 (PD) 和供電設備 (PSE) 共用所需功率等級相關(guān)信息的系統中，該設備可支持串行通信分類(lèi)協(xié)議 (SCCP)。

LTC9111 支持 IEEE 802.3cg，可減少浪涌事件的影響，但在對浪涌敏感的應用中使用該器件時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以添加一個(gè)電壓箝位，例如 TVS 二極管。將 TVS 與 ADIN1100 相結合是一種實(shí)施 SPoE 解決方案的有效方法，使其能夠在更遠的距離上運行（圖 4）。

圖 4：LTC9111 與 ADIN1100 相結合，簡(jiǎn)化了 SPoE 設計，只需幾個(gè)額外元器件即可完善工業(yè)以太網(wǎng)連接的用電設備端。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

SPoE PSE 控制器

LTC4296-1 是一款五端口 SPoE PSE 控制器，專(zhuān)為實(shí)現與 24 V 或 54 V 系統中 802.3cg PD 的互操作性而設計，用于符合 802.3cg 標準的應用的供電端。該器件的輸入電壓范圍為 6 V 至 60 V，支持廣泛的保護功能，包括使用外部 N 溝道 MOSFET、折返式模擬電流限制 (ACL)、可調電源和返回電子斷路器等。如需額外的浪涌保護，開(kāi)發(fā)人員可以添加 TVS 二極管（例如 Littelfuse 的 SMAJ58A），以緩解供電尖峰（圖 5）。

圖 5：作為 LTC9111 PD 控制器的補充，LTC4296-1 五端口 SPoE 控制器可簡(jiǎn)化工業(yè)以太網(wǎng)連接 PSE 端的設計。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

利用 Analog Devices 的 EVAL-SPoE-KIT-AZ 評估套件，開(kāi)發(fā)人員可以快速積累 PSE 控制器的經(jīng)驗。該套件可幫助設計人員研究符合 IEEE 802.3 標準的完整 SPoE 應用。其中配備基于 LTC4296-1 和 LTC9111 的母板，每塊都承載了通過(guò) SPE 電纜連接的基于 ADIN1100 的插入式盾板（圖 6）。

圖 6：EVAL-SPoE-KIT-AZ 評估套件提供一套完整的硬件電路板和電纜，可用于評估基于 LTC4296-1 PSE 和 LTC9111 PD 控制器以及 ADIN1100 10BASE-T1L 以太網(wǎng) PHY 器件的 SPoE 應用。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

盡管使用 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 標準的 SPoE 解決方案，但 Analog Devices 的另一種解決方案還能滿(mǎn)足對有源箝位控制器的需求。

有源箝位 PWM 控制器

Analog Devices 的 MAX5974 系列器件是有源箝位、擴頻、電流模式脈沖寬度調制 (PWM) 控制器，旨在提高 PoE PD 應用中供電電源的效率。MAX5974 系列器件提供多種版本。例如，MAX5974D 設計用于使用傳統光耦合器反饋來(lái)支持輸出調節。相比之下，MAX5974B 無(wú)需光耦合器也可支持輸出調節，同時(shí)使耦合電感器輸出能夠獲得轉換器電源輸入 (IN)（圖 7）。

圖 7：Analog Devices 的 MAX5974B 通過(guò)免除反饋中的光耦合器并從耦合電感器輸出中獲得轉換器輸入 (IN) 電壓，簡(jiǎn)化了有源箝位轉換器的設計。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

MAX5974 器件內集成的前饋最大占空比箝位功能可確保最大箝位電壓在瞬態(tài)條件下不受線(xiàn)電壓的影響。該器件的逐周期電流限制功能有助于進(jìn)一步保護敏感電子元件。當器件檢測到已達到峰值電流限制且持續時(shí)間超過(guò)閾值時(shí)，便會(huì )暫時(shí)關(guān)閉其主開(kāi)關(guān)柵極驅動(dòng)輸出 (NDRV) 和有源箝位開(kāi)關(guān)柵極驅動(dòng)輸出 (AUXDRV)，讓過(guò)載電流耗散后再?lài)L試軟啟動(dòng)。

應用廣泛的浪涌保護方法

這些產(chǎn)品可為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )提供廣泛的浪涌保護功能。ADIN1100 可確保長(cháng)距離和低功耗運行，為網(wǎng)絡(luò )提供堅實(shí)的基礎。LTC9111 和 LTC4296 控制器協(xié)同工作，可管理功率輸送，同時(shí)在 PD 和 PSE 層級提供浪涌保護。MAX5974 可確保高效的功率轉換，減少浪涌事件中可能出現的能量浪費，從而對此設置進(jìn)行補充。

通過(guò)協(xié)調實(shí)施這些產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)人員可以顯著(zhù)增強以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的浪涌保護能力。這種集成方法可保護硬件，確保通信不間斷和操作連續性。

總結

以太網(wǎng)為工業(yè)通信提供了巨大的優(yōu)勢，但由于電纜鋪設距離較長(cháng)，使得敏感電子元件容易受到浪涌事件的影響。開(kāi)發(fā)人員可以使用 Analog Devices 的一系列器件和開(kāi)發(fā)資源，快速實(shí)施能夠抵御浪涌事件影響的以太網(wǎng)連接。

（作者：Stephen Evanczuk）