כיצד להגן על רשתות Ethernet‏ מפני אירועי נחשולים

כאשר ה-Ethernet‏ הופך לעמוד השדרה של התקשורת התעשייתית, הרגישות של התשתית שלו לאירועי נחשולי מתח, כגון פגיעות ברק, מהווה אתגר קריטי. אירועים כאלה עלולים להשרות חוגי הארקה ומתחים מצומדים מגנטית, העלולים לפגוע במערכות טכנולוגיות תפעוליות.

כדי לשמור על התקינות והפונקציונליות של מערכת התקנים המחוברים ל-Ethernet‏, המפתחים זקוקים לפתרון חסון כדי להגן על אלקטרוניקה רגישה מפני העברות אנרגיה הרסניות.

מאמר זה מתאר בקצרה כיצד משפיעים נחשולי מתח על מערכות אלקטרוניות. לאחר מכן הוא מציג התקני הגנה של Analog Devices‏ ומדגים כיצד להשתמש בהם כדי למתן אירועי נחשולי מתח.

כיצד משפיעים אירועי נחשולי מתח על מערכות אלקטרוניות

אירועי נחשולי מתח יכולים להתרחש עקב מספר גורמים, כאשר ברק הוא הדרמטי וההרסני ביותר מבינם. אפילו ממרחק של מספר קילומטרים, פגיעת ברק עלולה להשרות חוגי הארקה ומתחים מצומדים מגנטית במערכות אלקטרוניות. מתח-יתר טרנזיינטי זה עלול להזיק לאלקטרוניקה רגישה ולשבש פעולות קריטיות.

ההשפעה של אירועי נחשולי מתח על מערכות אלקטרוניות חורגת מעבר לתקלה זמנית. העברות אלה ברמת אנרגיה גבוהה עלולות לגרום לנזק בלתי הפיך למעגלים, ולהוביל לתיקונים יקרים ולהשבתת המערכת. ברשתות Ethernet‏, אירועי נחשולי מתח עלולים לגרום נזק לחומרת הרשתות ולהתקנים המחוברים אליהן, ולהוביל לאיבוד נתונים, ביצועי מערכת מופחתים ואפילו כשל מערכתי מוחלט.

הרגישות של תשתית ה-Ethernet‏ לאירועי נחשולי מתח נובעת מהטווח הרחב ומהאופי המחוברר שלה. כאשר כבלי Ethernet‏ חוצים מרחקים ארוכים, הם קולטים הפרעות אלקטרומגנטיות מהסביבה, כולל מתחים וזרמים מושרים מאירועי נחשולי מתח, ומגיעים להתקנים שלכאורה מבודדים מנקודת הנחשול (איור 1a‏).

איור 1: התקנת Ethernet‏ לא-מוגנת רגישה לאירועי נחשולי מתח העוברים דרך אלקטרוניקה רגישה (a), אך שימוש בשיטות תכנון להגנה מפני נחשולי מתח, כגון משטחי מגן, יכול לאפשר נתיב בטוח לזרמי הנחשול (b). (מקור התמונה: Analog Devices)

המפתחים חייבים לממש אמצעי הגנה חסונים מפני נחשולי מתח כדי להגן על אלקטרוניקה רגישה מהעברות אלה ברמת אנרגיה גבוהה, ולהבטיח את תקינות המערכת ותפקודה. הדבר כרוך בהגנה על נקודות קריטיות ברשת באמצעות התקני הגנה מפני נחשולי מתח המסוגלים להסיט את האנרגיה העודפת הרחק ממרכיבים רגישים, על ידי הארקה או פיזור בטוח באמצעות טכניקות כגון משטחי מגן (איור 1b‏).

כדי לבנות הגנה מפני נחשולי מתח בהתקנים המחוברים אליהם, המפתחים מסתמכים על שיטות תכנון מתקדמות כגון הידוק מתח (Clamping) באמצעות משכך מתחים טרזיינטיים (TVS), גישות בידוד, סינון תדרים גבוהים וטכניקות אחרות. יחד עם זאת, הגנה מוצלחת מפני נחשולי מתח דורשת שילוב של טכניקות אלו עם רכיבים מיוחדים, כולל התקני שכבה פיזית (PHY) של Ethernet‏, בקרים וציוד מיקור הספקת-כוח המתוכנן לנהל את המאמצים המושרים על ידי אירועי נחשולי מתח.

מערך הפתרונות של Analog Devices תוכנן במיוחד כדי לתמוך בשיטות תכני ההגנה מפני נחשולי מתח, תוך עמידה בדרישות המיוחדות עבור פונקציונליות חסונה בהתקנים המחוברים ל-Ethernet‏.

בניית הגנה מפני נחשולי מתח ברשתות Ethernet‏

עבור ארגונים העוברים מתקשורת מהדור הקודם לחיבוריות מבוססת Ethernet‏, הופעתו של תקן Ethernet‏ שכבה פיזית 10BASE-T1L מספקת את החולייה הקריטית הדרושה לחיבור התקני קצה במיקומים מרוחקים ומסוכנים בתוך המפעל באמצעות תקן IEEE 802.3cg עבור כבל Ethernet‏ זוג-יחיד (SPE‏) ב-10 מגה-ביט לשנייה (Mbps). ה-ADIN1100 של Analog Devices‏, שתוכנן לתמוך בתקנים אלה, הוא מקמ"ש בעל הספק נמוך עם נקודת חיבור יחידה התומך בחיבוריות Ethernet‏ למרחקים של עד 1,700 מטר. ה-ADIN1100, שצורך רק 39 מיליוואט (mW), משלב ארכיטקטורה פונקציונלית מקיפה עם ממשק חומרה שנועד לפשט את חיבור המעבד המארח לרשת הEthernet‏ (איור 2).

איור 2: ה-ADIN1100 מספק 10BASE-T1L PHY מלא, המפשט את המעבר של מערכות תעשייתיות לרשתות Ethernet‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

תכנון ההגנה מפני נחשולי מתח של ה-ADIN1100, עם מעגלי ניטור הספקת-כוח ואיפוס-בהפעלה (POR) משולבים, תורם לחוסן המערכת ומבטיח פעולה יציבה גם בתנאים לא-יציבים. עם לוח ההערכה EVAL-ADIN1100-EBZ של Analog Devices‏, המפתחים יכולים להעריך במהירות את ביצועי ה-ADIN1100 ולבחון מנגנוני הגנה נוספים מפני נחשולי מתח.

ביחד עם מחווני סטטוס LED, לחצנים וחיבורי ממשק, לוח ההערכה מספק נקודות בדיקה, שטח קטן להכנת אב-טיפוס לבחינת גישות חלופיות לחיבור כבלים, ושנאי בידוד או משרני צימוד הספק אופציונליים (איור 3).

איור 3: ה-EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 מפשט את הערכת הביצועים של ה-ADIN1100 ואת ההתנסות עם מנגנוני תכן ההגנה מפני נחשולי מתח. (מקור התמונה: Analog Devices)

בקר התקנים מוזן-Ethernet תעשייתי

התקן LTC9111‏ של Analog Devices‏, שתוכנן עבור יישומי SPE תעשייתיים, הוא בקר התקנים מוזני Power over Ethernet‏ זוג-יחיד (SPoE‏) תואם IEEE 802.3cg‏ עם תחום פעולה רחב מ-2.3 עד 60 וולט. ההתקן תומך בפרוטוקול סיווג תקשורת טורית (SCCP‏) במערכות שבהן ההתקן המוזן (PD) וציוד מיקור הספקת-הכוח (PSE) חולקים מידע על קטגוריות ההספק הנדרש.

עם התמיכה שלו ב-IEEE 802.3cg, ה-LTC9111 בנוי להפחית את ההשפעה של אירועי נחשולים, אך מפתחים המשתמשים בהתקן ביישומים הרגישים לנחשולי מתח יכולים לכלול מהדק מתח כגון דיודת TVS. TVS בשילוב עם ADIN1100 מספק פתרון יעיל עבור מימוש פתרונות SPoE היכולים לפעול על פני מרחקים ארוכים (איור 4).

איור 4: בשילוב עם ADIN1100, ה-LTC9111 מפשט את תכני SPoE, ודורש רק כמה רכיבים נוספים כדי להשלים את צד ההתקן המוזן בחיבור Ethernet‏ תעשייתי. (מקור התמונה: Analog Devices)

בקר SPoE PSE

עבור צד מיקור הספקת-הכוח של יישום תואם 802.3cg‏, ה-LTC4296-1‏ הוא בקר SPoE PSE בעל חמש נקודות-חיבור המתוכנן עבור יכולת פעולה-בינית עם התקנים מוזני 802.3cg במערכות 24 או 54 וולט. ההתקן, המצויד בתחום מתחי כניסה של 6 עד 60 וולט, תומך במערך נרחב של יכולות הגנה, כולל שימוש ברכיבי MOSFET חיצוניים עם תעלת N, הגבלת זרם אנלוגית (ACL‏) Foldback, מקור מתכוונן, מפסקי זרם חוזר אלקטרוניים ועוד. להגנה נוספת מפני נחשולי מתח, המפתחים יכולים להוסיף דיודת TVS, כגון SMAJ58A‏ של Littelfuse‏, כדי למתן את שיאי הספקת-הכוח (איור 5).

איור 5: בקר ה-SPoE בעל חמש נקודות-חיבור LTC4296-1, המשלים את בקר PD‏ LTC9111, ומפשט את תכן צד PSE של חיבור Ethernet‏ תעשייתי. (מקור התמונה: Analog Devices)

באמצעות ערכת ההערכה EVAL-SPoE-KIT-AZ של Analog Devices‏, המפתחים יכולים לצבור במהירות ניסיון עם בקר PSE. הערכה מאפשרת למתכננים ללמוד יישום SPoE תואם IEEE 802.3 במלואו. היא מגיעה עם לוחות-אם מבוססי LTC4296-1 ו-LTC9111, שכל אחד מהם מארח לוחות Shield‏ נתקעים מבוססי ADIN1100 המתחברים דרך כבל SPE (איור 6).

איור 6: ערכת ההערכה EVAL-SPoE-KIT-AZ מספקת מערך שלם של לוחות חומרה וכבלים להערכת יישום SPoE המבוסס על בקר PSE‏ LTC4296-1 ועל בקר PD‏ LTC9111, כמו גם על התקן PHY‏ Ethernet‏ ADIN1100 10BASE-T1L. (מקור תמונה: Analog Devices)

על אף שבקר PSE‏ LTC4296-1, בקר PD‏ LTC9111 והתקן PHY‏ Ethernet‏ ADIN1100 10BASE-T1L מאפשרים מימוש מהיר של פתרונות SPoE תואמי IEEE 802.3cg, פתרון אחר של Analog Devices נותן מענה לצורך בבקרי מהדק-אקטיבי.

בקר PWM מהודק-אקטיבית

התקני סדרת MAX5974‏ של Analog Devices‏, המתוכננים לשפר את הנצילות של מקורות הספקת-כוח ביישומי PoE PD, הם בקרי אפנון רוחב פולס (PWM), אופן-זרם, Spread Spectrum‏ מהודקים-אקטיבית. התקני סדרת MAX5974 מוצעים במספר גרסות. לדוגמה, ה-MAX5974D מתוכנן לתמוך בייצוב היציאה באמצעות משוב מצמד אופטי מסורתי. לעומת זאת, ה-MAX5974B מתוכנן לתמוך בייצוב היציאה ללא מצמד אופטי, תוך מתן אפשרות ליציאת המשרן המצומד להיגזר מכניסת הספקת הממיר (IN) (איור 7).

איור 7: ה-MAX5974B של Analog Devices‏ מפשט את תכנון הממיר המהודק-אקטיבית על ידי ביטול מצמדים אופטיים במשוב, וגזירת מתח כניסת הממיר (IN) מיציאת המשרן המצומד. (מקור התמונה: Analog Devices)

ההיזון-קדימה (Feed-Forward‏) עם יחס-מחזור מקסימלי לתוך התקני MAX5974 מבטיח שמתח המהדק המקסימלי יישאר בלתי-תלוי במתח הקו במהלך תנאי טרנזיינטים. יכולת הגבלת הזרם מחזור-אחר-מחזור של ההתקן מסייעת בהגנה נוספת על אלקטרוניקה רגישה. כאשר ההתקן מזהה שגבול זרם השיא הושג ונמשך מעבר למשך סף, הוא משבית זמנית את יציאת דוחף השער של המתג הראשי (NDRV) ואת יציאת דוחף השער של מתג ההידוק האקטיבי (AUXDRV), ומאפשר לזרם עומס-היתר להתפזר לפני ניסיון הפעלה רכה.

יישום גישה רחבה להגנה מפני נחשולי מתח

מוצרים אלה מאפשרים גישה רחבה להגנה מפני נחשולי מתח ברשתות Ethernet‏. ה-ADIN1100 מבטיח פעולה בטווח ארוך ועם צריכת הספק נמוכה, ומשמש כבסיס איתן לרשת. הבקרים LTC9111 ו-LTC4296 פועלים במקביל כדי לנהל את הספקת-הכוח ולהגן עליה מפני נחשולים הן ברמת ה-PD והן ברמת ה-PSE. ה-MAX5974 משלים את המערך על ידי הבטחת המרת הספק יעילה והפחתת הפוטנציאל לבזבוז אנרגיה במהלך אירועי נחשולים.

על ידי מימוש מוצרים אלה בתיאום, המפתחים יכולים לשפר באופן משמעותי את יכולות ההגנה מפני נחשולי מתח של רשתות Ethernet‏. גישה משולבת זו שומרת על החומרה ומבטיחה תקשורת ללא הפרעות ופעולה רצופה.

סיכום

הEthernet‏ מציע יתרונות משמעותיים עבור תקשורת תעשייתית, אך פרישות כבלים ארוכות משאירות אלקטרוניקה רגישה חשופה לאירועי נחשולים. באמצעות מערך ההתקנים ומשאבי הפיתוח של Analog Devices‏, המפתחים יכולים לממש במהירות חיבוריות Ethernet‏ המסוגלת לעמוד בפני ההשפעות של אירועי נחשולים.