Figure 5. Pin out and functional block diagram for a two-channel tvs diode transient protector

 

Components like this are capable of absorbing 3000 W of transient power or 150 A of surge current. The internal Zener diode provides transient protection across the component, and the internal suppressor diodes deliver differential transient protection across individual channels.

 

The Value of Robust Designs

Including overload protection in your communication system designs will prevent failures from damaging environmental disturbances. The benefits of reduced service costs and an enhanced reputation for product quality far outweigh the small cost for the additional components added to the product designs.

If you include protection as part of the initial design definition rather than as an afterthought, your development time will be minimally impacted. Furthermore, you can save yourself precious development time when designing and selecting protection components by taking advantage of a manufacturer’s expertise. The manufacturer can help with solutions that are cost-effective and offer the lowest cost of ownership. Your product’s high-quality reputation will enhance your company’s revenue and lead to higher profitability. Your value will be enhanced as well.

Эта статья является первой из серии Littelfuse «Защитите свои порты! Лучшие советы по дизайну, чтобы поддерживать связь на связи».

Передача и получение информации между портами данных по информационному каналу является основной задачей при проектировании систем передачи данных. Кроме того, коммуникационные системы должны быть надежными, чтобы они могли работать в любое время, гарантируя, что критически важные данные не будут потеряны или прерваны. Чтобы разработать устойчивые и надежные системы связи, проектировщикам необходимо учитывать влияние внешней среды на порты их данных. Помехи, такие как молния, электростатический разряд, скачки тока перегрузки и переходные процессы перенапряжения, могут повредить интегральные схемы (ИС) связи.

Перед проектировщиками стоит задача включить защиту от этих помех в свои проекты без ущерба для производительности их схем, поддерживая требования к размерам конструкции и контролируя ее стоимость. Эта статья, первая из трех статей, поможет инженерам-разработчикам электроники преодолеть эти проблемы, предложив схемы защиты для их проектов портов данных.

В первой части этой серии будут представлены рекомендации по защите Power over Ethernet (PoE). Вторая и третья части посвящены защите высокоскоростных и низкоскоростных интерфейсов.

PoE — это технология передачи, которая передает мощность вместе с данными по кабелям Ethernet. Один кабель обеспечивает питание и передачу данных таким устройствам, как телефоны для передачи голоса по интернет-протоколу , камеры видеонаблюдения, использующие интернет-протокол, точки беспроводного доступа, сетевые маршрутизаторы центров обработки данных и промышленные системы управления. Стандарт IEEE для PoE - 802.3, который развивается с 2003 года, чтобы обеспечить использование более высокой мощности.

В таблице 1 показаны исходная и последующие версии стандарта IEEE 802.3 для обеспечения передачи более высокой мощности.

//-//

Таблица 1. Развитие стандарта IEEE 802.3 для обеспечения передачи с более высокой мощностью

Эволюция стандарта 802.3bt в 2018 году, обычно называемого PoE ++, обеспечивает максимальную мощность 90 Вт и ток 960 мА на линиях передачи данных. Кроме того, этот стандарт обеспечивает скорость передачи данных Ethernet до 10 Гбит / с, 10GBASE-T. Однако включение питания с низковольтными цифровыми сигналами требует, чтобы цепи PoE были защищены от токовых перегрузок и переходных процессов напряжения, таких как молнии, электростатические разряды и других быстрых переходных процессов, которые распространяются по линии питания переменного тока.

Защита порта PoE ++

На рисунке 1 показан пример конструкции PoE ++ и показаны рекомендуемые компоненты защиты для защиты от токовой перегрузки и защиты от переходных напряжений. Схема между разъемом RJ45 и защитной сетью предназначена для защиты как схемы физического уровня Ethernet, так и контроллера питаемых устройств.

//-//

Рисунок 1. Рекомендуемые компоненты защиты для схемы протокола PoE ++

Рекомендуется использовать предохранитель для защиты каждой из восьми линий передачи данных от токовых перегрузок. Нужно рассмотреть возможность использования плавкого предохранителя с задержкой срабатывания, чтобы избежать нежелательных отключений из-за скачков тока вызванных импульсным источником питания или грозовых скачков. Еще один фактор, который можно избежать с помощью предохранителя — повреждение из-за неправильного подключения или короткого замыкания в линии питания. Убедитесь, что выбранный предохранитель соответствует таким стандартам, как IEC 62368-1, Telcordia GR-1089 и FCC 47 Part 8 Surge Specifications. Предохранители, отвечающие этим требованиям, имеют рабочий ток около 2 А или меньше.

Ищите предохранитель с номиналом отключения до 100 А, чтобы предохранитель мог открыться и не испаряться даже в самых тяжелых условиях перегрузки. Предохранители, соответствующие указанным стандартам, могут открыться примерно за секунду до 250% перегрузки. Чтобы обеспечить эффективную сборку печатной платы, выберите версию для поверхностного монтажа, подходящую для пайки оплавлением.

На центральном отводе изолирующих трансформаторов сигналов используйте защитный тиристор, подключенный к заземлению, для поглощения и предотвращения переходных процессов напряжения, включая удары молнии, от прохождения через сигнальные трансформаторы. Защитные тиристоры, такие как Littelfuse SIDACtors, представляют собой устройства типа шунтирующий вентиль с низким напряжением в открытом состоянии и способностью поглощать большие токи от переходных процессов.

Версии тиристоров защиты могут:

- Лом переходное напряжение до 6 В

- Поглощение импульсного тока до 200 А

- Минимизировать выброс напряжения

- Иметь низкую емкость около 100 пФ

- Поглощение переходных процессов любой полярности

- Избегайте ухудшения характеристик в результате многократных скачков напряжения.

Предохранитель в сочетании с защитным тиристором соответствует международным нормативным стандартам GR 1080 и IEC 62368-1 для защиты телекоммуникационного оборудования.

Защита набора микросхем физического уровня Ethernet

Для набора микросхем Ethernet PHY основными переходными процессами, которые могут вызвать повреждение, являются электростатический разряд, процесс разряда кабеля и быстрые электрические переходные процессы в линиях передачи данных. Диодная матрица ограничителя переходных напряжений (TVS) может обеспечить необходимую защиту. Для защиты всех восьми линий данных используйте две 4-канальные диодные матрицы TVS, как показано на рисунке 2.

//-//

Рис. 2. Четырехканальная ИС диодной матрицы TVS для защиты схемы физического уровня (PHY) Ethernet с двунаправленными диодными парами и стабилитроном для дополнительной защиты от фиксации.

Преимущества использования диодной матрицы TVS:

- Защита от электростатических разрядов до ± 30 кВ

- Поглощение переходных процессов при импульсной мощности до 1000 Вт или пиковом токе до 45 А

- Минимальное искажение сигнала - всего 2,5 пФ на контакт относительно земли

- Маломощный сток с 0,5 мкА

- Компактный корпус µDFN-10 для поверхностного монтажа.

Защита контроллера питаемого устройства (PD)

Контроллер PD представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, который обеспечивает питание постоянным током оборудования. Цепи выпрямителя переменного / постоянного тока показаны в отдельных схемных блоках. Цепи выпрямителя напрямую взаимодействуют с входящими сигналами от разъема RJ45. Чтобы защитить схемы выпрямителя от скачков напряжения, рекомендуется использовать двунаправленные TVS-диоды на входных линиях. Версии этих серий диодных пар способны поглощать до 1500 Вт импульсной мощности или импульсный ток 200 А. TVS-диоды очень быстро реагируют на переходные процессы с временем отклика менее 1 пс. Кроме того, их ток утечки составляет менее 1 мкА, чтобы минимизировать энергопотребление цепи.

Завершается защита контроллера PD с помощью однонаправленного TVS-диода на выходе выпрямителя и на входе источника постоянного / постоянного тока контроллера PD. Нужно будет выбрать подходящее напряжение зажима в зависимости от конструкции вашей схемы. Компонент обеспечит быструю реакцию на переходный процесс.

Защита сети PoE в здании

Сеть PoE внутри здания - менее жесткая среда; и сеть PoE передает максимум 15,4 Вт или 350 мА. Здесь рекомендуется защитить PHY от вредных событий электростатического разряда с помощью 2-канальной диодной матрицы TVS.

На рисунке 3 (блок-схема слева) подробно описан пример сети PoE и показана диодная матрица TVS на линиях ввода / вывода к набору микросхем Ethernet PHY.

//-//

Рисунок 3. Рекомендуемые компоненты для защиты внутренних и внешних цепей PoE.

На рисунке 4 показана схема 2-канальной диодной матрицы TVS. Рассмотрите возможность использования защитной диодной матрицы, способной поглощать электрические разряды напряжением до ± 30 кВ и скачки тока в диапазоне 40 А.

//-//

Рисунок 4. Двухканальная ИС диодной матрицы TVS для защиты от переходных процессов напряжения в цепи Ethernet PHY.

Чтобы свести к минимуму искажение сигналов Tx и Rx, ищите корпуса с емкостью не более 2 пФ относительно земли. Также ищите матрицу TVS-диодов с низким током утечки, например, менее 1 мкА.

Защита сети PoE во внешней среде

Наружная среда - гораздо более жесткая для электроники, чем помещение. Существует более высокий риск того, что перекрестная сеть может вызвать перегрузки по току, а также более высокий риск возникновения скачков напряжения, вызванных молнией. Как и в схеме защиты PoE ++, на каждой линии ввода-вывода для любых цепей PoE на открытом воздухе и в суровых условиях рекомендуется использовать предохранитель с выдержкой времени для защиты от перекрестных событий питания. Пример показан в правой части рисунка 3. В этой сложной среде, помимо предохранителей, необходимо также разместить газоразрядные трубки поперек линий ввода-вывода. Газоразрядная трубка обеспечивает защиту лома от молнии или других опасных переходных процессов. Газоразрядная трубка обладает следующими свойствами:

- Способность поглощать и выдерживать скачки тока до 1000 А

- Низкая емкость, <1 пФ, независимо от напряжения, приложенного к компоненту

- Версии с корпусом для поверхностного монтажа.

Обратите внимание, что комбинация предохранителя и газоразрядной трубки должна соответствовать всем нормативным требованиям, описанным для стандарта PoE ++.

Как и другие схемы, диодная матрица TVS может защитить набор микросхем Ethernet PHY. В случае схемы PoE на открытом воздухе рассмотрите возможность использования диодной матрицы TVS большей мощности. Одной из таких более мощных диодных матриц TVS является двухканальный компонент, показанный на рисунке 5.

//-//

Рисунок 5. Распиновка и функциональная блок-схема двухканального устройства защиты от переходных процессов на диоде TVS.

Такие компоненты способны поглощать переходную мощность 3000 Вт или импульсный ток 150 А. Внутренний стабилитрон обеспечивает защиту от переходных процессов в компоненте, а внутренние ограничивающие диоды обеспечивают дифференциальную защиту от переходных процессов по отдельным каналам.

Ценность надежных конструкций

Включение защиты от перегрузки в конструкцию вашей системы связи предотвратит повреждения окружающей среды. Выгоды от снижения затрат на обслуживание и повышения репутации в отношении качества продукции намного перевешивают небольшую стоимость дополнительных компонентов, добавленных в конструкцию продукта.

Если вы включите защиту как часть первоначального определения проекта, а не второстепенно, это минимально повлияет на время разработки. Кроме того, вы можете сэкономить драгоценное время на разработку при проектировании и выборе компонентов защиты, воспользовавшись опытом производителя. Производитель может помочь с решениями, которые являются рентабельными и предлагают самую низкую стоимость кураторства. Высококачественная репутация вашего продукта увеличит доход вашей компании и приведет к более высокой прибыльности. Ваша ценность также будет увеличена.