以太網(wǎng)浪涌防護應(yīng)用方案

過去，工程師被要求把所有的設(shè)備都與網(wǎng)絡(luò)連接起來。但是，以太網(wǎng)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(yīng)用到實際中，就會碰到意想不到的問題。

以太網(wǎng)的最初設(shè)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(shù)據(jù)的傳輸速率是10M/s。對當(dāng)時的計算機處理速度來說，這已經(jīng)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(shù)據(jù)中心中。這些連接的線纜長度通常都不長于10米。這樣，數(shù)據(jù)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(wǎng)，或者在數(shù)百米的距離上至少運行100M的快速以太網(wǎng)。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(shù)英里長的線纜。我們使用以太網(wǎng)供電方式 (PoE) 來為屋頂、信息亭、燈桿甚至通信塔上的設(shè)備供電并與之通信。當(dāng)你的領(lǐng)導(dǎo)告訴你以太網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境中運行。這時，您還需要一個網(wǎng)絡(luò)線路保護方案。作為網(wǎng)絡(luò)的安全保障衛(wèi)士，它可以提供多年的無故障服務(wù)。

從實際工作情況上來看，大多數(shù)以太網(wǎng)接口是不需要特殊保護的。因為大多數(shù)RJ-45以太網(wǎng)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(shù)以太網(wǎng)PHY收發(fā)器集成電路中內(nèi)置的ESD保護相結(jié)合，在大多數(shù)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(wǎng)接口暴露在嚴(yán)重威脅下的比例比較低。建筑物內(nèi)的長電纜成為長天線，可以將雷擊產(chǎn)生的能量耦合到網(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(dāng)“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(shè)備中，在一定程度上是有效的。

隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，以及“PoE”技術(shù)的出現(xiàn)，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(shù)也存在一些問題。因為，存在的直流電壓會使專為2V以太網(wǎng)信號設(shè)計的收發(fā)器出現(xiàn)過電壓保護跳閘。由于為10Base-T或100Base-T網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的保護方案的容性負(fù)載，千兆位數(shù)據(jù)速率可能會遭受嚴(yán)重的數(shù)據(jù)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(shè)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(wǎng)使用一種復(fù)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(jù)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(wǎng)還使用比百兆以太網(wǎng)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(shè)備的電容更加敏感。

構(gòu)建一個強大的以太網(wǎng)防護系統(tǒng)，通常需要一個“分層”設(shè)計的方法，采用電源+網(wǎng)絡(luò)二合一集成設(shè)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(yīng)不同任務(wù)：

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(fù)載。SIDACtor保護型晶閘管對數(shù)據(jù)信號的影響極小。創(chuàng)新型硅設(shè)計可實現(xiàn)適用于高帶寬應(yīng)用的電容負(fù)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(yīng)用最廣泛的建筑物內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)以及二次側(cè)保護器浪涌承受力的建議標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)用，保護裝置的擊穿電壓必須高于“PoE”電源電壓。此外，設(shè)計工程師必須確保在啟動保護后，當(dāng)連接到電源時，主保護系統(tǒng) 將“退出”或“復(fù)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)。

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(dāng)初級和次級保護單元已經(jīng)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(shù)從ESD保護裝置技術(shù)中得到借用的。

安森美半導(dǎo)體的NUP4114系列產(chǎn)品用于保護電壓敏感元件和高速數(shù)據(jù)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(yīng)特性。

如今要求苛刻的以太網(wǎng)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最初以太網(wǎng)概念的范圍——在距離、數(shù)據(jù)速率和浪涌威脅等方面。通過仔細(xì)的工程設(shè)計，強大的以太網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于苛刻的環(huán)境中。

審核編輯：郭婷