Kako preprečiti prehodno napetostno nevarnost vmesnika PoE z uporabo diferencialnega načina

- Aug 14, 2019-

S hitro rastjo Etherneta na področju mreženja se hitro povečuje tudi število sistemov, ki uporabljajo PoE (ethernet napajalnik) na vratih 10/100 in GB. Prednosti in stroškovne prednosti oskrbe z električno energijo na oddaljene naprave prek Ethernet kablov omogočajo izvajanje številnih aplikacij (vključno z IP telefonijo, digitalnim video nadzorom, dostopnimi točkami WLAN in drugimi nizkonapetostnimi omrežnimi povezavnimi sistemi).

  

Tipični sistemi PoE uporabljajo napajalno opremo (PSE) za pošiljanje enosmerne napetosti na opremo za oddaljeno sprejemanje (PD) prek zvitega para Ethernet. Ker je sistem PoE pogosto ogrožen zaradi prehodne napetosti, je eno pomembnih vprašanj, ki jih je treba upoštevati pri zasnovi, zaščititi oddajnik fizičnega sloja (PHY) Etherneta pred prenapetostnimi vplivi.

  Z rastjo PoE aplikacij se velikost Ethernet PHY hitro zmanjšuje. Trenutno Ethernet PHY večinoma izdelujejo po 90-nm tehnologiji, vendar bodo proizvajalci čipov kmalu predstavili manjše izdelke, izdelane po 65-nm tehnologiji. Dejstva kažejo, da je z uporabo teh naprednih tehnologij izdelave učinkovite zaščite ESD na ravni čipov v CMOS nepraktično, ker je območje čipov premajhno, da bi zagotovilo robustnost na ravni sistema, stroški za doseganje učinkovite zaščite na čipu pa so previsoki. Da bi zadostili zahtevam svetovnih standardov in zagotovili zanesljivost sistema, sedanja zasnova sistema, ki temelji na Ethernetu, vedno bolj zahteva boljšo zaščito zunaj čipov.

Prehodna napetostna grožnja

image

Ethernet vmesnik je občutljiv na različne prehodne prenapetostne dogodke, med katerimi so najpogostejši elektrostatični razelektritev (ESD), razelektritev kabla in strele. Poleg tega v sistemu PoE prenos napajanja z enosmernim tokom prek zvitega para vodi do nekaterih posebnih prehodnih napak, ki jih povzroči povezava diferencialnega načina.

  ESD je zelo hiter prehodni impulz. Po modelu, ki ga daje standard IEC61000-4-2, je čas vzpona ESD valovne oblike 700 picosekund na 1 nanosekundo, trajanje impulza od največjega toka do 50% pa 60 nanosekund. Veliki tokovi in prehodna energija lahko poškodujejo submikronsko vhodno strukturo silicijevih čipov.

   Kabelski razelektritev (CDE) ali elektrostatični razelektritev (CESD) se pojavi, ko se Ethernet kabel polni v običajnem okolju, kot sta trenje naelektren ali induciran. Nevarno je v sistemski vmesnik vstaviti žive kable. Dejstvo kaže, da bo kabel izpuščal v Ethernet vrata preko magnetnega kanala Ethernet, tvoril več različnih načinov prenapetosti. Podobno kot pri ESD je tudi porast prenapetosti kabla zelo kratek (manj kot 1 nanosekunda), vendar za razliko od ESD sekundarna valovita oblika hitro niha in traja dolgo. Za oblikovalce Etherneta lahko energija v valovnih oblikah kablov povzroči resnejše težave kot človeški elektrostatični izpust.

  Prenašanje strele je pogosta grožnja pri omrežni povezavi. Udarci strele lahko ustvarijo visokonapetostne impulze, ki se preko Ethernet linije lahko prenašajo na Ethernet PHY. Za razliko od dogodkov z nanosekundo ESD, strelovodi trajajo milisekunde. EMC industrija takšne impulze opisuje glede na čas vzpona (milisekunde), največji impulzni tok in čas padca. Energija udara strele je za nekaj vrst večja od energije udarca.

   Prehodni odziv diferencialnega načina v aplikacijah PoE

 

Kot smo že omenili, je lahko zaščita vmesnika PoE še posebej zahtevna, saj poleg prehodnega procesa, ki ga povzročajo ESD in prenapetosti, obstaja več pogostih situacij, ki lahko pri povezovanju na enosmerno napajanje povzročijo diferencialne prenapetosti na prenosnem omrežju Ethernet. To bo seveda povzročilo katastrofalne okvare ali težave za PHY, hudi sunki pa lahko poškodujejo IC.

   Večina oblikovalcev vezja PoE ima določeno obliko zaščite v skupnem načinu, da zaščiti vezje PoE. Običajno se uporabljajo kondenzatorji v običajnem načinu, povezani s tlemi ali prehodnimi napetostnimi regulatorji TVS, priključeni na oba konca napajalnika, ki se zanašajo na zelo hitre Schottky-jeve diode za usmerjanje toka v tla. Vendar mnogi oblikovalci napačno zanemarjajo zaščito diferencialnega načina. Diferencialni par Ethernet izolira PHY od zunanjega okolja s pomočjo transformatorjev ali zatiranja v običajnem načinu. Transformatorji lahko zagotavljajo visoko stopnjo izolacije v skupnem načinu za zunanje napetosti, vendar ne morejo zagotoviti zaščite za kovinske ali diferencialne (linijske) napetosti.

 

PoE sistem ima napetost + 48V ali - 48V na diferencialnem paru. Pri poravnavi signalnih vodov je ta enosmerna napetost javna, zato je diferenčna enosmerna napetost 0 voltov. V nekaterih primerih lahko povezava uvede prehodne procese.

   Na primer, pripenjanje pin ne more biti sinhrono, ko se priključijo RJ-45 med napajalno opremo in opremo za sprejem napajanja. Pri stikih RJ-45 se lahko pin 1 pojavi prej ali pozneje kot pin 2. To bo povzročilo diferenčni prehod 48V na linijskem paru, kar bo poškodovalo ali poškodovalo PHY vezja PoE. Podobne situacije se zgodijo, ko uporabnik preklopi povezavo z že napajane naprave na napravo brez napajanja na istem napajalnem vhodu. Ko naprava za napajanje zazna, da je bila naprava brez napajanja priključena, bo prišlo do zamude, ko naprava za napajanje prekine napajanje. V tem primeru lahko moč traja dovolj dolgo, da z istočasnim priklopom zatičev oblikuje diferenčno napetost 48V. Diferencialni prehodni način, ki ga povzroči to stanje, lahko poškoduje ali poškoduje PHY.

   Diode za začasno zmanjšanje napetosti (TVS)

   Očitno je, da je struktura PoE izpostavljena močnim nevarnostim za okolje, zato jih je treba zaščititi z zunanjimi vezji. Nizkonapetostna dioda TVS je zrela zaščitna tehnologija za oddajnik Ethernet. Dioda ima hiter odziv (stopnja pod-nanosekunde), nizko kapacitivnost in nizko vpenjalno napetost in je zelo primerna za odpor proti različnim prehodnim sunkom.

  

Da bi zagotovili diferenčno zaščito tokokrogov PoE, mora biti učinkovita shema zaščite pred diodami TVS sposobna vpenjati prehodno / prenapetost in prikazati najmanjšo nosilnost na vmesniku. TVS bi moral zagotavljati nizko napetost vpenjala in praviloma zmogljivost med linijo ne sme presegati več kožnih metod. Poleg tega mora konfiguracija TVS kot edinstveno zahtevo PoE vezja upoštevati obstoj +/- 48V enosmerne napetosti med spletnimi pari. Zaradi visoke enosmerne napetosti med različnimi pari žic integriranih diodnih nizov ali mostnih TVS naprav, ki tvorijo električne poti med poljubnimi pari žic, ni mogoče uporabiti. Diferencialni pari morajo biti električno izolirani.

  

Naveden je primer sheme POE TVS, ki jo je Semtech RClamp 0524S izvedel za odpornost na prehodni diferencialni način. Pri izvajanju zaščitnega tokokroga PoE obstaja nekaj prednosti postavljanja zaščitnega vezja na napajalno stran: ne more samo zaščititi vezja stikala za napajanje navzdol, ampak tudi preprečiti prehodni tok, ki teče skozi transformator. Ker vsaka dodatna induktivnost poveča napetost vpenjanja ESD diode TVS, mora biti TVS čim bližje konektorju. TVS matriki v tem primeru imajo majhno medosno kapacitivnost, in ker so ti pari diod ločeni v paketu, zagotavljajo tudi potrebno izolacijo linij za izolacijo napetosti 48V med diferencialnimi pari. Poleg tega pretočna postavitev, prikazana na sliki 3, zmanjša skupno induktivnost v prehodni poti in olajša postavitev PCB.


Par:Uporaba oddajnika optičnih vlaken Naslednji:Znanost in tehnologija Leitong vas naučita, kako razlikovati prednosti in slabosti omrežne linije