วิธีป้องกันเครือข่ายอีเธอร์เน็ตจากเหตุการณ์ไฟกระชาก

เนื่องจากอีเธอร์เน็ตกลายเป็นแกนหลักของการสื่อสารทางอุตสาหกรรม โครงสร้างพื้นฐานที่อ่อนไหวต่อเหตุการณ์ไฟกระชาก เช่น ฟ้าผ่า จึงเป็นความท้าทายที่สำคัญ ซึ่งเหตุการณ์ดังกล่าวสามารถกระตุ้นให้เกิดกราวด์ลูปและแรงดันไฟฟ้าควบคู่กับสนามแม่เหล็ก ซึ่งอาจทำให้ระบบเทคโนโลยีการปฏิบัติงานเสียหายได้

เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของระบบและฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออีเธอร์เน็ต นักพัฒนาจำเป็นต้องมีโซลูชันที่แข็งแกร่งเพื่อปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนจากการถ่ายโอนพลังงานแบบหักล้าง

บทความนี้จะอธิบายโดยสังเขปว่าไฟกระชากส่งผลต่อระบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างไร จากนั้นก็แนะนำอุปกรณ์ป้องกันจาก Analog Devices และแสดงวิธีใช้เพื่อลดไฟกระชาก

ไฟกระชากส่งผลกระทบต่อระบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างไร

ไฟกระชากสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากปัจจัยหลายประการ โดยฟ้าผ่าเป็นเหตุการณ์ที่รุนแรงและเป็นอันตรายที่สุด แม้จะอยู่ห่างออกไปหลายไมล์ ฟ้าผ่าก็สามารถกระตุ้นให้เกิดกราวด์ลูปและแรงดันไฟฟ้าแม่เหล็กร่วมในระบบอิเล็กทรอนิกส์ได้ แรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราวนี้สามารถทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนและรบกวนการทำงานที่สำคัญได้

ผลกระทบของเหตุการณ์ไฟกระชากต่อระบบอิเล็กทรอนิกส์มีมากกว่าความผิดปกติชั่วคราว การถ่ายโอนพลังงานสูงเหล่านี้อาจทำให้เกิดความเสียหายต่อวงจรถาวร ซึ่งนำไปสู่การซ่อมแซมที่มีค่าใช้จ่ายสูงและการหยุดทำงานของระบบ ในเครือข่ายอีเทอร์เน็ต เหตุการณ์ไฟกระชากสามารถสร้างความเสียหายให้กับฮาร์ดแวร์เครือข่ายและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ ส่งผลให้ข้อมูลสูญหาย ประสิทธิภาพของระบบลดลง และแม้กระทั่งระบบล้มเหลวโดยสิ้นเชิง

ความอ่อนไหวของโครงสร้างพื้นฐานอีเธอร์เน็ตต่อไฟกระชากนั้นเกิดขึ้นจากการเข้าถึงที่กว้างขวางและลักษณะที่เชื่อมโยงถึงกัน เนื่องจากสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตเคลื่อนที่ในระยะทางไกล สายเคเบิลจะรับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากสภาพแวดล้อม รวมถึงแรงดันไฟฟ้าและกระแสเหนี่ยวนำจากเหตุการณ์ไฟกระชาก เข้าถึงอุปกรณ์ที่ดูเหมือนแยกออกจากจุดที่เกิดไฟกระชาก (รูปที่ 1a)

รูปที่ 1: การติดตั้งอีเทอร์เน็ตที่ไม่ได้รับการป้องกันนั้นไวต่อเหตุการณ์ไฟกระชากที่ส่งผ่านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน (a) แต่การใช้วิธีการออกแบบการป้องกันไฟกระชาก เช่น ระนาบป้องกันสามารถทำให้เกิดเส้นทางที่ปลอดภัยสำหรับกระแสไฟกระชาก (b) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

นักพัฒนาต้องใช้มาตรการป้องกันไฟกระชากที่แข็งแกร่งเพื่อปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนจากการถ่ายโอนพลังงานสูงเหล่านี้ เพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของระบบและฟังก์ชันการทำงาน สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการปกป้องจุดวิกฤติในเครือข่ายด้วยอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่สามารถโอนพลังงานส่วนเกินออกไปจากส่วนประกอบที่มีความละเอียดอ่อน ไม่ว่าจะโดยการต่อสายดินหรือกระจายพลังงานอย่างปลอดภัยโดยใช้เทคนิค เช่น ระนาบป้องกัน (รูปที่ 1b)

เพื่อช่วยสร้างการป้องกันไฟกระชากในอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ นักพัฒนาอาศัยวิธีการออกแบบขั้นสูง เช่น การแคลมป์แรงดันไฟฟ้าโดยใช้ตัวป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) วิธีการแยก การกรองความถี่สูง และเทคนิคอื่นๆ ในขณะเดียวกัน การป้องกันไฟกระชากที่ประสบความสำเร็จจำเป็นต้องรวมเทคนิคเหล่านี้เข้ากับส่วนประกอบพิเศษ รวมถึงอุปกรณ์ Ethernet Physical Layer (PHY) ตัวควบคุม และอุปกรณ์จ่ายพลังงานที่ออกแบบมาเพื่อจัดการความเครียดที่เกิดจากเหตุการณ์ไฟกระชาก

ชุดโซลูชันจาก Analog Devices ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อรองรับวิธีการออกแบบการป้องกันไฟกระชาก ขณะเดียวกันก็เป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะสำหรับฟังก์ชันการทำงานที่แข็งแกร่งในอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับอีเทอร์เน็ต

สร้างการป้องกันไฟกระชากในเครือข่ายอีเทอร์เน็ต

สำหรับองค์กรที่เปลี่ยนจากการสื่อสารแบบเดิมไปเป็นการเชื่อมต่อแบบอีเทอร์เน็ต การเกิดขึ้นของมาตรฐานฟิสิคัลเลเยอร์อีเธอร์เน็ต 10BASE-T1L ทำให้เกิดการเชื่อมโยงที่สำคัญที่จำเป็นในการเชื่อมต่ออุปกรณ์เอดจ์ในสถานที่ห่างไกลและเป็นอันตรายภายในโรงงานโดยใช้มาตรฐาน IEEE 802.3cg สำหรับสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตคู่เดียว (SPE) 10 เมกะบิตต่อวินาที (Mbps) โดย ADIN1100 ของ Analog Devices ออกแบบมาเพื่อรองรับมาตรฐานเหล่านี้โดยเป็นเครื่องรับส่งสัญญาณแบบพอร์ตเดียวพลังงานต่ำที่รองรับการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตในระยะไกลสูงสุด 1,700 เมตร (ม.) ซึ่ง ADIN1100 ใช้เพียง 39 มิลลิวัตต์ (mW) รวมสถาปัตยกรรมการทำงานที่ครอบคลุมเข้ากับอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ที่ออกแบบมาเพื่อลดความซับซ้อนในการเชื่อมต่อโปรเซสเซอร์โฮสต์กับเครือข่ายอีเธอร์เน็ต (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ADIN1100 มี 10BASE-T1L PHY ที่สมบูรณ์ ช่วยลดความยุ่งยากในการเปลี่ยนระบบอุตสาหกรรมไปเป็นเครือข่ายอีเทอร์เน็ต (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การออกแบบการป้องกันไฟกระชากของ ADIN1100 พร้อมการตรวจสอบแหล่งจ่ายไฟในตัวและวงจรรีเซ็ตการเปิดเครื่อง (POR) ช่วยให้ระบบมีความทนทาน ทำให้มั่นใจได้ว่าการทำงานจะมีเสถียรภาพแม้ในสภาวะที่มีความผันผวน ด้วยบอร์ดประเมินผล EVAL-ADIN1100-EBZ ของ Analog Devices นักพัฒนาสามารถประเมินประสิทธิภาพของ ADIN1100 ได้อย่างรวดเร็ว และสำรวจกลไกการป้องกันไฟกระชากเพิ่มเติม

นอกจากไฟ LED แสดงสถานะ ปุ่ม และการเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซแล้ว บอร์ดประเมินผลยังจัดให้มีจุดทดสอบ พื้นที่สร้างต้นแบบขนาดเล็กสำหรับตรวจสอบวิธีการเชื่อมต่อสายเคเบิลแบบอื่น และหม้อแปลงแยกหรือตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าแบบแยกส่วน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 ทำให้การประเมินประสิทธิภาพของ ADIN1100 และการทดลองกลไกการออกแบบการป้องกันไฟกระชากทำได้ง่ายขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ตัวควบคุมอุปกรณ์ที่ใช้อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม

Analog Devices LTC9111 เป็นตัวควบคุมอุปกรณ์ที่จ่ายไฟผ่านอีเทอร์เน็ต (SPoE) คู่เดียวตามมาตรฐาน IEEE 802.3cg โดยออกแบบมาสำหรับการใช้งาน SPE อุตสาหกรรมและมีช่วงการทำงานกว้างตั้งแต่ 2.3 ถึง 60 โวลต์ อุปกรณ์รองรับ Serial Communication Classification Protocol (SCCP) ในระบบที่อุปกรณ์จ่ายไฟ (PD) และอุปกรณ์จ่ายไฟ (PSE) ที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับคลาสพลังงานที่ต้องการ

ด้วยการรองรับ IEEE 802.3cg ทำให้ LTC9111 ถูกสร้างขึ้นเพื่อลดผลกระทบของเหตุการณ์ไฟกระชาก แต่นักพัฒนาที่ใช้อุปกรณ์ในการใช้งานที่ไวต่อไฟกระชากสามารถรวมแคลมป์แรงดันไฟฟ้า เช่น ไดโอด TVS เข้าไปด้วย TVS ที่รวมกับ ADIN1100 มอบโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานโซลูชัน SPoE ที่สามารถทำงานในระยะทางที่ขยายได้ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: เมื่อใช้ร่วมกับ ADIN1100 LTC9111 จะทำให้การออกแบบ SPoE ง่ายขึ้น โดยต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมเพียงไม่กี่ชิ้นเพื่อทำให้ด้านอุปกรณ์จ่ายไฟของการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมสมบูรณ์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ตัวควบคุม SPoE PSE

สำหรับด้านแหล่งพลังงานของการใช้งานที่สอดคล้องกับ 802.3cg มี LTC4296-1 เป็นตัวควบคุม SPoE PSE ห้าพอร์ตที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานร่วมกับ 802.3cg PD ในระบบ 24 หรือ 54 โวลต์ อุปกรณ์นี้มีช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต 6 ถึง 60 โวลต์ รองรับชุดความสามารถในการป้องกันที่ครอบคลุม รวมถึงการใช้มอสเฟตแบบ N-channel ภายนอก, ขีดจำกัดกระแสแอนะล็อกแบบพับกลับ (ACL), เบรกเกอร์วงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับแหล่งจ่ายและส่งคืนที่ปรับได้ และอื่นๆ สำหรับการป้องกันไฟกระชากเพิ่มเติม นักพัฒนาสามารถเพิ่มไดโอด TVS เช่น Littelfuse SMAJ58A เพื่อลดการสูงขึ้นเฉียบพลันของแหล่งจ่ายไป (ภาพที่ 5)

รูปที่ 5: การใช้งานร่วมกับตัวควบคุม LTC9111 PD ทำให้ตัวควบคุม SPoE ห้าพอร์ต LTC4296-1 ช่วยลดความยุ่งยากในการออกแบบด้าน PSE ของการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การใช้ชุดประเมินผล EVAL-SPoE-KIT-AZ ของ Analog Devices นักพัฒนาสามารถรับประสบการณ์คอนโทรลเลอร์ PSE ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งชุดนี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถศึกษาการใช้งาน SPoE ที่รองรับ IEEE 802.3 ได้อย่างสมบูรณ์ โดยมาพร้อมกับมาเธอร์บอร์ดที่ใช้ LTC4296-1 และ LTC9111 ซึ่งแต่ละตัวมีแผงป้องกันปลั๊กอินที่ใช้ ADIN1100 ซึ่งเชื่อมต่อผ่านสายเคเบิล SPE (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ชุดประเมินผล EVAL-SPoE-KIT-AZ มอบชุดบอร์ดฮาร์ดแวร์และสายเคเบิลครบชุดเพื่อประเมินแอปพลิเคชัน SPoE โดยอิงตามตัวควบคุม LTC4296-1 PSE และ LTC9111 PD และอุปกรณ์ PHY อีเทอร์เน็ต ADIN1100 10BASE-T1L (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แม้ว่าตัวควบคุม PSE LTC4296-1, ตัวควบคุม LTC9111 PD และอุปกรณ์ PHY อีเทอร์เน็ต ADIN1100 10BASE-T1L ช่วยให้สามารถใช้งานโซลูชัน SPoE ตามมาตรฐาน IEEE 802.3cg ได้อย่างรวดเร็ว แต่โซลูชัน Analog Devices อีกตัวหนึ่งก็ตอบสนองความต้องการตัวควบคุมแบบแอ็คทีฟแคลมป์

ตัวควบคุม PWM แบบแอกทีฟแคลมป์

อุปกรณ์ซีรีส์ MAX5974 ของ Analog Devices คือตัวควบคุมพัลส์ไวด์ธมอดูเลชัน (PWM) โหมดกระแสแบบยึดจับยึด, สเปรดสเปกตรัมที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายในการใช้งาน PoE PD อุปกรณ์ซีรีย์ MAX5974 มีให้เลือกหลายรูปแบบ ตัวอย่างเช่น MAX5974D ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับการควบคุมเอาต์พุตโดยใช้การป้อนกลับของออปโตคัปเปลอร์แบบดั้งเดิม ในทางตรงกันข้าม MAX5974B ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับการควบคุมเอาต์พุตโดยไม่ต้องใช้ออปโตคัปเปลอร์ ในขณะที่ทำให้เอาท์พุตตัวเหนี่ยวนำคู่เพื่อรับอินพุตอุปทานของคอนเวอร์เตอร์ (IN) (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: MAX5974B ของ Analog Devices ช่วยลดความยุ่งยากในการออกแบบคอนเวอร์เตอร์แบบแอกทีฟแคลมป์โดยการกำจัดออปโตคัปเปลอร์ในฟีดแบ็ค และรับแรงดันไฟฟ้าอินพุต (IN) ของคอนเวอร์เตอร์จากเอาต์พุตตัวเหนี่ยวนำคู่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แคลมป์รอบการทำงานสูงสุดแบบฟีดฟอร์เวิร์ดซึ่งรวมอยู่ในอุปกรณ์ MAX5974 ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าของแคลมป์สูงสุดยังคงไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของสายในระหว่างสภาวะชั่วคราว ซึ่งความสามารถในการจำกัดกระแสแบบทีละรอบของอุปกรณ์จะช่วยปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนเพิ่มเติม เมื่ออุปกรณ์ตรวจพบว่าถึงขีดจำกัดกระแสสูงสุดและรักษาไว้จนเกินระยะเวลาที่กำหนด อุปกรณ์จะปิดเอาต์พุตสวิตช์เกตไดรฟ์หลัก (NDRV) และเอาต์พุตไดรฟ์เกตสวิตช์แบบแคลมป์สวิตช์ (AUXDRV) ชั่วคราว ซึ่งจะทำให้กระแสโอเวอร์โหลดกระจายไป ก่อนที่จะพยายามสตาร์ทแบบนุ่มนวล

การใช้วิธีการป้องกันไฟกระชากอย่างครอบคลุม

ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ช่วยให้สามารถป้องกันไฟกระชากในเครือข่ายอีเทอร์เน็ตได้อย่างครอบคลุม โดย ADIN1100 รับประกันการทำงานระยะไกลและใช้พลังงานต่ำ โดยทำหน้าที่เป็นรากฐานที่แข็งแกร่งสำหรับเครือข่าย คอนโทรลเลอร์ LTC9111 และ LTC4296 ทำงานควบคู่กันเพื่อจัดการการจ่ายพลังงานและป้องกันไฟกระชากที่ระดับ PD และ PSE ซึ่ง MAX5974 ช่วยเสริมการตั้งค่านี้โดยรับประกันการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และลดโอกาสที่จะสิ้นเปลืองพลังงานในระหว่างเหตุการณ์ไฟกระชาก

เมื่อใช้ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ร่วมกัน นักพัฒนาจะสามารถเพิ่มความสามารถในการป้องกันไฟกระชากของเครือข่ายอีเธอร์เน็ตได้อย่างมาก วิธีการบูรณาการนี้ช่วยปกป้องฮาร์ดแวร์และรับประกันการสื่อสารและความต่อเนื่องในการปฏิบัติงานอย่างต่อเนื่อง

สรุป

อีเธอร์เน็ตมีข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการสื่อสารทางอุตสาหกรรม แต่การต่อสายเคเบิลที่ยาวทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนเสี่ยงต่อเหตุการณ์ไฟกระชาก การใช้ชุดอุปกรณ์และทรัพยากรการพัฒนาจาก Analog Devices นักพัฒนาสามารถใช้การเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตได้อย่างรวดเร็วซึ่งสามารถต้านทานผลกระทบของเหตุการณ์ไฟกระชาก