作者：Stephen Evanczuk

　　隨著以太網(wǎng)成為工業(yè)通信的支柱，其基礎設施對雷擊等浪涌事件的敏感性提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。此類事件可能會引起接地環(huán)路和磁耦合電壓，從而可能導致操作系統(tǒng)癱瘓。

　　為了保持以太網(wǎng)連接設備的系統(tǒng)完整性和功能，開發(fā)人員需要一種強大的解決方案來保護敏感電子設備免受破壞性能量傳輸?shù)挠绊憽?/span>

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

　　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，雷擊也會在電子系統(tǒng)中感應出接地回路和磁耦合電壓。這種瞬態(tài)過壓可能會損壞敏感電子設備并擾亂關鍵操作。

　　電涌事件對電子系統(tǒng)的影響不僅僅限于暫時故障。這些高能量傳輸可能會對電路造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，從而導致昂貴的維修和系統(tǒng)停機。在以太網(wǎng)中，浪涌事件可能會損壞網(wǎng)絡硬件和連接的設備，導致數(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)基礎設施對浪涌事件的敏感性源于其廣泛的覆蓋范圍和互連性質(zhì)。當以太網(wǎng)電纜穿越長距離時，它們會吸收環(huán)境中的電磁干擾，包括浪涌事件產(chǎn)生的感應電壓和電流，到達看似與浪涌點隔離的設備(圖 1a)。

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

　　開發(fā)人員必須實施強大的浪涌保護措施，以保護敏感電子設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設備來保護網(wǎng)絡中的關鍵點，這些設備能夠?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平面等技術安全地耗散能量(圖 1b)。

　　為了幫助在其連接的設備中構建浪涌保護，開發(fā)人員依靠先進的設計方法，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。同時，成功的浪涌保護需要將這些技術與專用組件相結合，包括以太網(wǎng)物理層 (PHY) 設備、控制器和電源設備，旨在管理浪涌事件引起的應力。

　　Analog Devices 的一套解決方案專門用于支持浪涌保護設計方法，同時滿足以太網(wǎng)連接設備中強大功能的特殊要求。

　　在以太網(wǎng)中構建浪涌保護

　　對于從傳統(tǒng)通信過渡到基于以太網(wǎng)的連接的組織來說，10BASE-T1L 物理層以太網(wǎng)標準的出現(xiàn)提供了使用 IEEE 802.3cg 標準連接工廠內(nèi)遠程和危險位置的邊緣設備所需的關鍵鏈路，每 10 兆比特。第二根 (Mbps) 單對以太網(wǎng) (SPE) 電纜。 Analog Devices 的ADIN1100是一款低功耗單端口收發(fā)器，旨在支持這些標準，支持最遠 1,700 米 (m) 距離的以太網(wǎng)連接。 ADIN1100 的功耗僅為 39 毫瓦 (mW)，將全面的功能架構與硬件接口相結合，旨在簡化主機處理器與以太網(wǎng)的連接(圖 2)。

　　圖 2：ADIN1100 提供完整的 10BASE-T1L PHY，簡化了工業(yè)系統(tǒng)到以太網(wǎng)的過渡。 (圖片來源：Analog Devices)

　　ADIN1100 的浪涌保護設計具有集成電源監(jiān)控和加電復位 (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)定運行。借助 Analog Devices 的EVAL-ADIN1100-EBZ評估板，開發(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、按鈕和接口連接之外，評估板還提供測試點、用于檢查替代電纜連接方法的小型原型設計區(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 簡化了 ADIN1100 性能的評估以及浪涌保護設計機制的實驗。 (圖片來源：Analog Devices)

　　工業(yè)以太網(wǎng)供電的設備控制器

　　Analog Devices LTC9111專為工業(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) 受電設備控制器，具有 2.3 至 60 V 的寬工作電壓范圍。該器件支持受電設備 (PD) 和供電設備 (PSE) 共享有關所需功率等級信息的系統(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，但在浪涌敏感應用中使用該器件的開發(fā)人員可以包括一個電壓鉗位器，例如 TVS 二極管。 TVS 與 ADIN1100 相結合，為實施可遠距離運行的 SPoE 解決方案提供了有效的解決方案(圖 4)。

　　圖 4：LTC9111 與 ADIN1100 相結合，簡化了 SPoE 設計，僅需要幾個額外組件即可完成工業(yè)以太網(wǎng)連接的受電設備側。 (圖片來源：Analog Devices)

　　SPoE PSE 控制器

　　對于 802.3cg 兼容應用的電源側，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 實現(xiàn)互操作性而設計。該器件具有 6 至 60 V 輸入電壓范圍，支持廣泛的保護功能，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，開發(fā)人員可以添加 TVS 二極管(例如Littelfuse SMAJ58A)來緩解電源尖峰(圖 5)。

　　圖 5：LTC4296-1 五端口 SPoE 控制器作為 LTC9111 PD 控制器的補充，簡化了工業(yè)以太網(wǎng)連接 PSE 側的設計。 (圖片來源：Analog Devices)

　　使用 Analog Devices 的EVAL-SPoE-KIT-AZ評估套件，開發(fā)人員可以快速獲得 PSE 控制器經(jīng)驗。該套件使設計人員能夠研究完整的 IEEE 802.3 兼容 SPoE 應用。它配備了基于 LTC4296-1 和 LTC9111 的主板，每個主板都托管通過 SPE 電纜連接的基于 ADIN1100 的插件屏蔽(圖 6)。

　　圖 6：EVAL-SPoE-KIT-AZ 評估套件提供了一整套硬件板和電纜，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 器件能夠快速實施符合 IEEE 802.3cg 標準的 SPoE 解決方案，但 Analog Devices 的另一個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、擴頻、電流模式脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器，旨在提高 PoE PD 應用中電源的效率。 MAX5974系列器件有多種型號。例如，MAX5974D設計用于支持使用傳統(tǒng)光耦合器反饋的輸出調(diào)節(jié)。相比之下，MAX5974B 的設計無需光耦合器即可支持輸出調(diào)節(jié)，同時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，從而簡化了有源鉗位轉(zhuǎn)換器設計。 (圖片來源：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關。該器件的逐周期電流限制功能有助于進一步保護敏感電子器件。當器件檢測到已達到峰值電流限制并持續(xù)超過閾值持續(xù)時間時，它會暫時關閉其主開關柵極驅(qū)動輸出 (NDRV) 和有源鉗位開關柵極驅(qū)動輸出 (AUXDRV)，從而消除過載電流在嘗試軟啟動之前。

　　應用廣泛的浪涌保護方法

　　這些產(chǎn)品為以太網(wǎng)中的浪涌保護提供了廣泛的方法。 ADIN1100 確保長距離和低功耗運行，為網(wǎng)絡奠定了堅實的基礎。 LTC9111 和 LTC4296 控制器協(xié)同工作，以管理功率傳輸并防止 PD 和 PSE 級別的浪涌。 MAX5974 補充了這一設置，確保高效的電源轉(zhuǎn)換并減少浪涌事件期間能源浪費的可能性。

　　通過協(xié)調(diào)實施這些產(chǎn)品，開發(fā)人員可以顯著增強以太網(wǎng)的浪涌保護能力。這種集成方法可以保護硬件并確保不間斷的通信和操作連續(xù)性。

　　結論

　　以太網(wǎng)為工業(yè)通信提供了顯著的優(yōu)勢，但較長的電纜線路使敏感電子設備容易受到浪涌事件的影響。使用 Analog Devices 的一組器件和開發(fā)資源，開發(fā)人員可以快速實現(xiàn)能夠抵抗浪涌事件影響的以太網(wǎng)連接。