ESD-збірки для захисту промислового і вуличного Ethernet

1. Ethernet: особливості фізичної реалізації
2. Електромагнітна сумісність: огляд нормативних документів
3. ESD-збірки Littelfuse для захисту промислового і вуличного Ethernet
4. Приклади організації захисту Ethernet-додатків для різних умов експлуатації
5. висновок
6. література

Найбільш просте рішення для захисту Ethernet-додатків від різних негативних впливів, таких як статичні розряди, блискавки і потужні перешкоди, пропонує компанія Littelfuse. Воно полягає в використанні спеціалізованих захисних збірок.

Ethernet - найпоширеніший у світі мережевий інтерфейс. Його використовують для створення домашніх і офісних локальних мереж, для підключення до Інтернету, для управління обладнанням в промисловості і так далі. При проектуванні пристроїв Ethernet необхідно приділити велику увагу проблемам електромагнітної сумісності, тобто забезпечення стійкості до впливу статичного розряду, потужних перешкод і навіть блискавок.

Рівень захисту вибирається, виходячи з вимог конкретного застосування. Наприклад, для домашніх додатків з малими довжинами сполучних кабелів мінімально необхідною є захист від статики. При цьому захист від блискавок навряд чи знадобиться. Зате для промислового і вуличного Ethernet з великою протяжністю ліній блискавки і потужні перешкоди - загрози цілком реальні.

Вимоги до рівня захисту електронних пристроїв описані в спеціалізованих стандартах щодо електромагнітної сумісності. У Росії застосовується група стандартів ГОСТ Р 51317.4 (МЕК 61000-4).

Компанія Littelfuse пропонує напівпровідникові збірки, які забезпечують надійний захист Ethernet-додатків при дії всіх перерахованих вище негативних факторів:

• ESD-збірки з низькою власною ємністю для захисту від статики;
• спеціалізовані збірки для захисту від потужних перешкод і блискавок.

Ethernet: особливості фізичної реалізації

Якщо розглядати модель OSI, то стандарти Ethernet описують фізичний і канальний рівні реалізації мережевого інтерфейсу. З точки зору організації захисту нас в першу чергу цікавить саме фізичний рівень: фізичне середовище передачі даних, тип і частота сигналів.

Існує чотири стандарти проводового Ethernet (таблиця 1): 10Base-T, 100Base-T, 1000Base-T і 10GBase-T.

Таблиця 1. Особливості фізичної реалізації Ethernet

Характеристика Версія Ethernet 10Base-T 100Base-T 1000Base-T 10GBase-T Швидкість передачі, Мбіт / с 10 100 1000 10 000 Тип сигналу Диференціальний Число диференціальних пар 2 2 4 4 Кабель CAT3 CAT5 CAT5 CAT6 або CAT6A / 7

Кожен з цих стандартів характеризується високою швидкістю передачі, використанням диференціальних сигналів і кручених пар. З цього можна зробити деякі висновки за вимогами до захисних компонентів: вони повинні мати мінімальну власною ємністю і низьким струмом витоків.

Найчастіше для захисту диференціальних ліній застосовують складні багатоканальні збірки. Вони об'єднують в одному корпусі нізкоемкостние шунтові діоди і TVS, що поглинають потужні кондуктивні завади, що з'являються на лініях живлення.

Варто відзначити, що різні серії збірок можуть мати однакову структуру, але різний рейтинг захисту. Тому вибір збирання проводиться тільки після того, як будуть сформовані вимоги щодо необхідного рівня захисту. У Росії загальні вимоги щодо електромагнітної сумісності встановлює група стандартів ГОСТ Р 51317.4 (МЕК 61000-4).

Електромагнітна сумісність: огляд нормативних документів

Стандарти ГОСТ Р 51317.4 (МЕК 61000-4) встановлюють типи і методи випробувань технічних засобів (ТЗ) на стійкість до перешкод і розрядами. При цьому документи є загальними, тобто не відносяться до конкретного типу пристроїв.

Можна виділити кілька типів негативних електричних впливів: статичні розряди, наносекундні імпульсні перешкоди, потужні мікросекундні імпульси.

Статичні розряди, ESD - надзвичайно поширене явище. Варто пройти по лінолеуму або іншому синтетичному непровідного покриттю, і після цього доторкнутися до металевої заземленої поверхні, як тут же отримуєш розряд, і на своєму гіркому досвіді відчуваєш, що таке статика. Ці розряди можуть мати різну потужність, і дуже часто їх енергії вистачає, щоб вивести чутливі електронні прилади з ладу. Норми стійкості до статиці описані в ГОСТ Р 51317.4.2.

ГОСТ Р 51317.4.2 (МЕК 61000-4-2) «Сумісність технічних засобів електромагнітна. Стійкість до електростатичних розрядів. Вимоги та методи випробувань »встановлює вимоги та методи випробування технічних засобів на стійкість до електростатичних розрядів як при прямому, так і при непрямому впливі оператора.

Стандарт є загальним, тобто не встановлює вимоги до якого-небудь конкретного устаткування, тому кожен виробник самостійно вибирає ступінь жорсткості випробувань.

Передбачається два типи випробувань: контактний розряд з напругою ± 2; ± 4; ± 6; ± 8 кВ і повітряний розряд ± 2, ± 4, ± 8, ± 15 кВ (таблиця 2).

Таблиця 2. Ступені жорсткості випробувань відповідно до ГОСТ Р 51317.4.2 (МЕК 61000-4-2)

Контактний розряд Повітряний розряд Ступінь жорсткості Випробувальна напруга, кВ Ступінь жорсткості Випробувальна напруга, кВ 1 ± 2 1 ± 2 + 2 ± 4 2 ± 4 3 ± 6 3 ± 8 4 ± 8 4 ± 15 Х Спеціальне Х Спеціальне

Швидкі наносекундні імпульсні перешкоди (НІП), FET - ще один вид негативних впливів, які можуть вивести з ладу електронні пристрої. Норми захисту від НІП описані в ГОСТ Р 51317.4.4.

ГОСТ Р 51317.4.4 (МЕК 61000-4-4) «Сумісність технічних засобів електромагнітна. Стійкість до наносекундной імпульсних перешкод. Вимоги та методи випробувань »встановлює чотири стандартних ступеня жорсткості випробувань з тестовими наносекундной імпульсами різної частоти і напруги: ± 0,2; ± 0,5; ± 1; ± 2 і ± 4 кВ (таблиця 3).

Таблиця 3. Ступені жорсткості випробувань відповідно до ГОСТ Р 51317.4.4 (МЕК 61000-4-4)

Вихідна випробувальна напруга ІГ в режимі холостого ходу (+ 10%) і частота повторення імпульсів (+ 20%) Ступінь жорсткості
випробувань Порт електроживлення, порт заземлення Порт сигналів введення / виводу Амплітуда
імпульсів, кВ Частота
повторення, кГц Амплітуда
імпульсів, кВ Частота
повторення, кГц 1 ± 0,5 5 ± 0,25 5 2 ± 1 5 ± 0,5 5 3 ± 2 5 ± 1 5 4 ± 4 2,5 ± 2 5 Х Спеціальна Спеціальна Спеціальна Спеціальна

Потужні мікросекундні імпульсні перешкоди великої енергії (МІП) виникають в результаті різних комутаційних процесів і при розрядах блискавок. Найбільша вірогідність появи МІП можлива в умовах великої протяжності ліній зв'язку та при розташуванні кабелів на вулиці. При розробці пристроїв для вуличного і промислового Ethernet необхідно в обов'язковому порядку передбачити захист від цього типу перешкод. Стійкість до них визначається відповідно до ГОСТ Р 51317.4.5.

ГОСТ Р 51317.4.5 (МЕК 61000-4-5) «Сумісність технічних засобів електромагнітна. Стійкість до мікросекундним імпульсних перешкод великої енергії. Вимоги та методи випробувань »- універсальний стандарт, застосовуваний до всіх типів електротехнічних, електронних і радіоелектронних виробів і обладнання. Стандарт встановлює чотири ступені жорсткості впливу з різними напругами: ± 0,5; ± 1; ± 2 і ± 4 кВ (таблиця 4).

Таблиця 4. Ступені жорсткості випробувань відповідно до ГОСТ Р 51317.4.5 (МЕК 61000-4-5)

Ступінь жорсткості Значення імпульсів напруги на ненавантаженому виході випробувального генератора, кВ ± 10% 1 ± 0,5 2 ± 1,0 3 ± 2,0 4 ± 4,0 Х Спеціальне

Для того щоб визначитися з необхідним ступенем жорсткості випробувань, необхідно врахувати клас умов експлуатації (таблиця 5). Найбільш жорсткі умови пред'являються до пристроїв класу 5, який передбачає вуличне розташування і велику довжину комунікаційних ліній. Для них тестове напруга становить ± 4 кВ. Все це відноситься і до Ethernet-додатків (таблиця 6).

Таблиця 5. Класи експлуатації обладнання згідно ГОСТ Р 51317.4.5 (МЕК 61000-4-5)

Клас умов експлуатації
обладнання Опис 1 Частково захищена електромагнітна обстановка 2 Електромагнітна обстановка при розносі силових і сигнальних кабелів 3 Електромагнітна обстановка при паралельному прокладанні силових і сигнальних кабелів 4 Електромагнітна обстановка при прокладці сполучних кабелів поза приміщеннями поблизу силових кабелів і використанні багатопровідних кабелів, що містять лінії, підключені до ланцюгів електронного або електротехнічного обладнання 5 Електромагнітна обстановка при підключенні ТЗ до ліній зв'язку та повітр вим силовим лініям малонаселених районів X Особливі умови експлуатації, що встановлюються в стандартах на ТЗ конкретного виду і технічної документації на ТС

Якщо вивчити всі вимоги ГОСТів, то можна встановити рівень необхідної стійкості до дії кожного типу перешкод. Після цього необхідно визначитися з типом захисних компонентів. Компанія Littelfuse пропонує захисні збірки, які, з одного боку, здатні працювати з надшвидким стандартом Ethernet, а з іншого - забезпечують виконання вимог стандартів.

Таблиця 6. Ступені жорсткості випробувань для Ethernet-додатків відповідно до ГОСТ Р 51317.4.5 (МЕК 61000-4-5)

Клас умов експлуатації обладнання Ступінь жорсткості випробувань PoE Неекранований Ethernet Екранований Ethernet схема «провід-провід», кВ схема «провід-земля», кВ схема «провід-провід», кВ схема «провід-земля», кВ схема «провід-провід» , кВ схема «провід-земля», кВ 0 НЕ ісп. НЕ ісп. НЕ ісп. НЕ ісп. НЕ ісп. НЕ ісп. 1 цієї статті не ісп. НЕ ісп. НЕ ісп. ± 0,5 НЕ ісп. НЕ ісп. 2 цієї статті не ісп. НЕ ісп. НЕ ісп. ± 1 цієї статті не ісп. ± 0,5 3 ± 1 ± 2 цієї статті не ісп. ± 2 цієї статті не ісп. ± 2 4 ± 2 ± 4 НЕ ісп. ± 2 цієї статті не ісп. ± 4 5 ± 2 ± 4 НЕ ісп. ± 4 НЕ ісп. ± 4

ESD-збірки Littelfuse для захисту промислового і вуличного Ethernet

Компанія Littelfuse випускає три групи напівпровідникових захисних збірок: для низькошвидкісних інтерфейсів і низьковольтних ланцюгів, для високошвидкісних інтерфейсів і збірки підвищеної потужності для захисту інтерфейсів, що застосовуються на відкритому повітрі.

Для захисту вуличного і промислового Ethernet ідеально підходить третя група, яка об'єднує майже три десятка серій (таблиця 7):

• з робочим напругою 2,8 / 3,3 / 5,0 / 6,0 В;
• з нізкоемкостнимі шунтовимі діодами і TVS по харчуванню;
• з мінімальною власною ємністю від 1,3 пФ (наприклад, SP4022 / 3/4);
• з мінімальним струмом витоку від 0,5 мкА;
• з різною кількістю каналів;
• з рейтингом захисту ± 30 кВ по МЕК 61000-4-2;
• з мініатюрними корпусними виконаннями.

Таблиця 7. Захисні ESD-збірки Littelfuse для захисту від потужних перешкод

Наиме-вання Число каналів Робоча напруги-ня, В Ємність, пФ Струм витоку, мкА Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Рейтинг (FET, IEC61000-4-4), А Рейтинг (Lightning Protection, IEC61000- 4-5), А Напруга обмеження, 8/20 μs, В Максималь-ний струм (8/20 μs), А Пікова поглинає-травня потужність, Вт Корпус LC03-3.3 2 3,3 9 1 ± 30 40 150 17,0 (при 100 А) 150 3300 SOIC SLVU2.8 1 2,8 2 1 ± 30 40 40 12,5 (при 24 А) 40 600 SOT23 SLVU2.8-4 4 2,8 2 1 ± 30 40 40 15 (при 24 А) 40 600 SOIC SLVU2.8-8 4 2,8 2,6 0,1 ± 30 40 30 17 (при 24 А) 30 750 SOIC SLVU2.8-4BTG-S 4 2,8 2 1 ± 30 40 40 18 (при 24 А) 40 600 SOIC SP03-3.3 2 3,3 16 1 ± 30 - 100 15,0 (при 100 А) 150 3300 SOIC SP03-6 2 6 16 25 ± 30 - 100 20,0 (при 100 А) 150 2800 SOIC SP1050 4 58 35 1 ± 30 - 24 96,0 (при 24 А) 24 2700 SP1050 SP2504N 4 2,5 3,5 1 ± 30 40 20 11,5 (при 20 А) 20 300 μDFN-10 SP2502L 2 3,3 5 1 ± 30 - 75 30,0 (при 75 А) 75 2100 SOIC SP2574NUTG 8 2,5 3,8 0,5 ± 30 40 40 12,0 (при 25 А) 40 1000 μDFN-10 SP3051 4 6 3,8 0,5 ± 30 40 20 17,0 (при 20 А) 20 400 SOT23-6 SP3304N 4 3,3 3,5 1 ± 30 40 20 11,5 (при 20 А) 20 300 μDFN-10 SP3304N 2 3,3 1,3 0,05 ± 30 40 15 13,0 (при 10 А) 15 250 μDFN-10 SP4020 1 3,3 2,5 0,5 ± 30 40 30 21,8 (при 24 А) 30 750 SOD323 SP4021 1 5 2,5 0,5 ± 30 40 25 19,6 (при 24 А) 25 600 SOD323 SP4022 1 12 1,3 0,1 ± 30 40 15 35,0 (при 15 А) 15 500 SOD323 SP4023 1 15 1,3 0,1 ± 30 40 12 40,0 (при 12 А) 12 450 SOD323 SP4024 1 24 1,3 0,5 ± 30 40 7 50,0 (при 7 А) 7 350 SOD323 SP4042 2 3,3 11 0,1 ± 30 40 120 (2 / 10μs) 25,0 (при 100 А) 95 2500 μDFN-10 SP4044 4 2,8 1,5 1 ± 30 40 24 6,0 (при 2 А) 24 500 MSOP-10 SP4045 4 3,3 1,5 1 ± 30 40 24 7,0 (при 2 А ) 24 600 MSOP-10 SP4065 8 3,3 4,4 1 ± 30 40 20 13,5 (при 20 А) 20 300 MSOP SR05 2 5 6 5 ± 30 80 25 18,0 (при 25 А) 25 450 SOT143 SR70 2 70 2 5 ± 30 80 40 12,0 (при 30 А) 40 - SOT143-4 SRDA05 4 3,3 4 1 ± 30 50 35 17,7 (при 30 А) 35 600 SOIC-8 SRDA05 4 5 8 10 ± 30 50 30 21,0 (при 25 А) 30 600 SOIC-8 SRV05 4 6 2 0,5 ± 20 40 10 15,0 (при 8 А) 10 150 SOT23-6 SP3002 4 6 0,85 0,5 ± 12 40 4,5 13,0 (при 2 А) 4,5 - SC70, SOT23, μDFN-6

Незважаючи на однаковий рейтинг захисту ± 30 кВ по МЕК 61000-4-2, збірки відрізняються числом каналів, потужністю, структурою і рейтингом захисту по МЕК 61000-4-4 та IEC 61000-4-5.

При такому різноманітті розробник завжди зможе підібрати оптимальну збірку, виходячи з вимог ГОСТів (МЕК).

Приклади організації захисту Ethernet-додатків для різних умов експлуатації

Тип захисної збірки вибирається виходячи з конкретних умов експлуатації. Розглянемо кілька стандартних прикладів реалізацій Ethernet.

Захист побутових мереж Ethernet з довжиною кабелю менше 2 м. Це найпростіший випадок. Очевидно, що в домашніх умовах довжина сполучних кабелів мала, а виникнення потужних комутацій і блискавок малоймовірно. Однак не варто забувати про статиці.

Для таких випадків компанія Littelfuse рекомендує використовувати захисні збірки, які об'єднують в собі нізкоемкостние шунтуючі діоди і TVS-діод з харчування (рисунок 1), такі як:

• SP3002-04JTG - чотирьохканальна збірка, з рівнем захисту ± 12 / ± 15 кВ (контакт / повітря) і мінімальною місткістю всього 0,85 пФ;
• SRV05-4HTG - чотирьохканальна збірка, з рівнем захисту ± 20 / ± 30 кВ (контакт / повітря) і мінімальною місткістю 2 пФ.

Мал. 1. Зовнішній вигляд і структура ESD-збірок серій SRV05 і SP3002

Як приклад розглянемо захист домашнього Ethernet за допомогою збірок SP3002-04JTG і SRV05-4HTG (малюнок 2). Така схема має рейтинг захисту ± 20 кВ (SRV05-4HTG) або ± 12 кВ (SP3002-04JTG) при пікової потужності перешкод до 150 Вт.

Мал. 2. Захист Ethernet від малопотужних перешкод всередині приміщень

Захист внутрішніх промислових і офісних мереж Ethernet великої протяжності. На відміну від попереднього випадку, тут недостатньо мати захист тільки від статики. При великій довжині кабелів зв'язку, незалежно від того, промислове це підприємство або офісна будівля, висока ймовірність виникнення потужних перешкод від різного роду комутацій.

Для даного випадку можна застосувати комплексний підхід і розмістити захисні збірки до гальванічної розв'язки (трансформатора) і безпосередньо перед мікросхемою приймача. Для цих цілей, наприклад, підійдуть такі збірки (малюнок 3):

• LC03-3.3BTG - двоканальна збірка 3,3 В з малою ємністю 9 пФ і пікової потужністю 3,3 кВт, що має надвисокий струм обмеження до 150 А;
• SP3051-04HTG - чотирьохканальна збірка 6,0 В з мінімальним струмом витоку 0,5 мкА і малої ємністю 3,8 пФ. Незважаючи на мініатюрне виконання SOT23-6, збірка має високу пікову потужність 400 Вт.

Мал. 3. Зовнішній вигляд і структура ESD-збірок серій LC03 і SP3051

Для захисту 10/100 Ethernet потрібні дві збірки: LC03-3.3BTG і SP3051-04HTG (Рисунок 4). В даній схемі основна потужність при виникненні перешкод поглинається за допомогою LC03-3.3BTG, решту «підчищає» SP3051-04HTG. Варто звернути увагу, що висновки харчування LC03-3.3BTG можуть бути не підключені, якщо потрібно максимально високий рівень ізоляції.

Мал. 4. Захист внутрішніх ліній Ethernet великої протяжності

Представлена ​​схема захистить Ethernet-додаток від МІП:

• 100 А імпульс 2/10 мкс - для двох диференціальних пар;
• 36,4 А імпульс 1,2 / 50 ... 8/20 мкс - для чотирьох диференціальних пар.

Захист промислових і вуличних мереж Ethernet великої протяжності - найбільш складний з точки зору забезпечення безпеки випадок. Крім статики і швидких перешкод, тут можливе виникнення найпотужніших МІП, в тому числі від блискавок.

Компанія Littelfuse рекомендує для таких випадків використовувати потужні збірки, наприклад, SLVU2.8.

SLVU2.8-4BTG - чотирьохканальна збірка 2,8 В з низькою ємністю 2 пФ і піковою потужністю 400 Вт. Її головна відмінність полягає в структурі, яка містить випрямні діоди і TVS-діоди (малюнок 5).

Мал. 5. Зовнішній вигляд і структура ESD-збірок серії SLVU2.8-4

Для захисту 10/100 Ethernet буде потрібно одна збірка SLVU2.8-4BTG (рисунок 6). Розташовувати її потрібно після трансформатора. При цьому сам трансформатор виявляється першим рубежем оборони. Захист від перевантажень по струму здійснюється запобіжниками, які розташовуються до трансформатора. Варто відзначити, що SLVU2.8-4BTG забезпечує диференціальну захист між лініями.

Мал. 6. Захист ліній Ethernet від потужних перешкод

Наведені схеми дають загальне уявлення про можливості захисту Ethernet-додатків при різних умовах експлуатації. Завдяки багатій номенклатурі Littelfuse розробники без проблем зможуть підібрати підходящу захисну збірку для кожного конкретного випадку.

висновок

Ethernet - найбільш популярний комунікаційний інтерфейс. Його використовують вдома і в офісі, в виробничих цехах і в вуличних додатках. Для його надійної роботи необхідно вжити відповідних заходів безпеки, зокрема - захиститися від статики і перешкод. При цьому захисні компоненти повинні мати мінімальну ємність і малий струм витоку, щоб не погіршувати якість передачі даних.

Необхідний рівень захисту від перешкод визначається в залежності від особливостей експлуатації Ethernet. При цьому вимоги щодо електромагнітної сумісності прописані в групі стандартів ГОСТ Р 51317.4 (МЕК 61000-4).

Компанія Littelfuse пропонує майже три десятка різноманітних мініатюрних збірок, за допомогою яких можна захистити пристрої, що працюють у складі домашніх, офісних, промислових і вуличних мереж Ethernet.

література

1. Ethernet Protection Design Guide. 2015-го, Littelfuse.
2. TVS Diode Array. Transient Voltage Suppression SPA® Diode. PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2013, Littelfuse.
3. ESD Protection Products Brochure. 2012 Littelfuse.
4. ESD Suppression Protection Design Guide. 2009 Littelfuse.
5. http://www.littelfuse.com.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .