以太網浪涌防護應用方案

過去，工程師被要求把所有的設備都與網絡連接起來。但是，以太網的協(xié)議的選擇是多樣的。有些方法在理論上看起來是可行的，但一旦應用到實際中，就會碰到意想不到的問題。

以太網的最初設計者無法想象我們對他們的“寶貝”做了什么。最初的目的是把計算機連接在一起。數據的傳輸速率是10M/s。對當時的計算機處理速度來說，這已經是足夠快了。計算機通常被放置在一個單獨的房間或者是數據中心中。這些連接的線纜長度通常都不長于10米。這樣，數據房的工作條件得到了保證，因此ESD是一個非常小的威脅，一旦電腦連接好，它們就保持了恒定的物理連接。

今天，我們使用的是千兆以太網，或者在數百米的距離上至少運行100M的快速以太網。在我們工作大樓的墻壁或者其天花板或者其他隱蔽空間中放置數英里長的線纜。我們使用以太網供電方式（PoE）來為屋頂、信息亭、燈桿甚至通信塔上的設備供電并與之通信。當你的領導告訴你以太網來替換工廠中的IEEE-488總線鏈路時，他可能不理解IEEE-488鏈路的固有健壯和穩(wěn)定性，也不知道你需要做哪些事情來保持你的以太網網絡在工業(yè)環(huán)境中運行。這時，您還需要一個網絡線路保護方案。作為網絡的安全保障衛(wèi)士，它可以提供多年的無故障服務。

安全防護

從實際工作情況上來看，大多數以太網接口是不需要特殊保護的。因為大多數RJ-45以太網插孔后面的第一個電氣部件是一個隔離變壓器，它可以提供一些保護。這與大多數以太網PHY收發(fā)器集成電路中內置的ESD保護相結合，在大多數家庭和辦公室環(huán)境中提供了足夠的保護。問題是通常以太網接口暴露在嚴重威脅下的比例比較低。建筑物內的長電纜成為長天線，可以將雷擊產生的能量耦合到網絡中。如果將它們暴露在戶外例如：信息亭，或屋頂或頂部的監(jiān)控攝像頭。這些“天線”甚至可以收集閃電能量。

當安全性、可靠性問題首次浮出水面時，有些電路保護公司開發(fā)了“加密狗”方案，提供額外的ESD過電壓保護。當“加密狗”插入有問題的RJ-45插孔，并提供了一個防浪涌的RJ-45插孔。它們被添加到路由器或其他遇到故障的設備中，在一定程度上是有效的。

隨著數據傳輸速率的提高，以及“PoE”技術的出現，這就需要有定制化的解決方案。以前單純的“加密狗”方法往往是不夠的。但是，“PoE”技術也存在一些問題。因為，存在的直流電壓會使專為2V以太網信號設計的收發(fā)器出現過電壓保護跳閘。由于為10Base-T或100Base-T網絡設計的保護方案的容性負載，千兆位數據速率可能會遭受嚴重的數據錯誤。雖然“PoE”提供了過電流保護功能，但對那些會損害其他類型電源設備的電氣瞬態(tài)來說，這些系統(tǒng)也很易遭受同樣的損害。

與10Base-T不同，千兆位以太網使用一種復雜的編碼方案，它需要一個非常線性的通道才能長距離傳輸。根據外加電壓的不同，硅二極管和晶閘管通常顯示出非線性電容。千兆位以太網還使用比百兆以太網快10倍以上的時鐘頻率，這使得信號對電纜和任何使用的保護設備的電容更加敏感。

設計方案構建一個強大的以太網防護系統(tǒng)，通常需要一個“分層”設計的方法，采用電源+網絡二合一集成設計，多級保護電路它由第一層、第二層和有時是第三層組成。每個層級對應不同任務：

第一層晶閘管或硅工藝的裝置。如Littelfuse的SDP-Q38CB寬帶SIDACtor保護型晶閘管。它可以提供所需的浪涌處理能力與最小的電容負載。SIDACtor保護型晶閘管對數據信號的影響極小。創(chuàng)新型硅設計可實現適用于高帶寬應用的電容負載特性。具有SO-8占位的表面貼裝QFN封裝的浪涌能力超過了大部分全球應用最廣泛的建筑物內部標準以及二次側保護器浪涌承受力的建議標準。這些薄型晶閘管具有低失真和低插入損耗，雖然，初級層通過過高的電壓，但它確實限制了浪涌的持續(xù)時間，因為大部分能量被分流到地面。

對于“PoE”應用，保護裝置的擊穿電壓必須高于“PoE”電源電壓。此外，設計工程師必須確保在啟動保護后，當連接到電源時，主保護系統(tǒng)將“退出”或“復位”。通常，這需要一個可折回限流的“PoE”電源并且保護裝置處于高保持電流狀態(tài)。

圖2：Littelfuse SDP-Q38CB寬帶SIDACtor保護型晶閘管

第二層高頻變壓器隔離，不僅為PHY收發(fā)IC提供直流隔離，它們微小的磁芯容易飽和，限制了耦合到收發(fā)器電路中的能量。但是，線圈之間的隔離必須能夠承受初級層的通電電壓而不發(fā)生故障。請記住，GDT的直流擊穿電壓可能為90V，但在快速雷電沖擊條件下可能會超過500V。線圈間電容也可以通過隔離柵耦合能量，但這通常比磁耦合能量小。第三層當初級和次級保護單元已經去除了“PoE”功率，并將最大電壓和電流限制在可控的水平，其中許多技術從ESD保護裝置技術中得到借用的。 安森美半導體的NUP4114系列產品（圖3）用于保護電壓敏感元件和高速數據免受ESD的影響。具有超低電容、出色的鉗位能力、低漏電流和快速響應特性。

圖3：安森美半導體ESD保護二極管和陣列

如今要求苛刻的以太網應用遠遠超出了最初以太網概念的范圍——在距離、數據速率和浪涌威脅等方面。通過仔細的工程設計，強大的以太網絡可以應用于苛刻的環(huán)境中。