如何保護乙太網路免受突波事件的影響

乙太網路已成為工業通訊的骨幹，但其基礎設施容易受到雷擊等突波事件的影響，會是一項重大挑戰。此類事件會引發接地迴路和磁耦合電壓，進而可能導致操作技術系統癱瘓。

為保持乙太網路連接裝置系統的完整和功能，開發人員需要一個穩健的解決方案來保護敏感電子元件，以免遭受有害能量傳輸損害。

本文將簡要說明突波會如何影響電子系統，然後介紹 Analog Devices 的保護元件，並說明如何使用這些元件以緩解突波事件造成的影響。

突波事件會如何影響電子系統

突波事件可能由不同因素引起，而雷擊則是其中最驚人且最具破壞性的因素。即使在幾英哩之外，雷擊也會在電子系統中引發接地迴路和磁耦合電壓。這種暫態過電壓可能會損壞敏感電子元件，並中斷關鍵操作。

突波事件對電子系統的影響會持續下去，而不僅是暫態故障。這些高能量傳輸可能會對電路造成永久損壞，進而導致代價高昂的維修和系統停機時間。在乙太網路中，突波事件可能會損壞網路硬體和連接裝置，進而造成資料遺失、系統效能降低，甚至系統完全故障。

乙太網路基礎設施容易受到突波事件影響，因為其覆蓋範圍廣泛且均具互連特性。因為乙太網路纜線佈線的距離較長，這些纜線會從環境中接收電磁干擾，包括突波事件引起的感應電壓和電流，並會傳遞至那些似乎與突波點隔離的裝置 (圖 1a)。

圖 1：未受保護的乙太網路裝置，容易受到通過敏感電子元件之突波事件的影響 (a)，但使用突波保護設計方法 (如防護平面) 可為突波電流提供一條安全路徑 (b)。(圖片來源：Analog Devices)

開發人員必須實作穩健的突波保護措施，以保護敏感電子元件免於這些高能量傳輸的影響，進而確保系統的完整和功能。為此，便需要使用能將多餘能量從敏感元件轉移出去的突波保護裝置，以保護網路中的關鍵點，而可用的方法則是將該點進行接地，或者使用防護平面等技術，使其安全消散能量 (圖 1b)。

開發人員可在連接裝置中採用先進的設計方法，例如使用暫態電壓抑制器 (TVS) 的電壓箝位、隔離方法、高頻濾波和其他技術，建立突波保護。同時，成功的突波保護機制需要將這些技術搭配專用元件，包括乙太網路實體層 (PHY) 元件、控制器和供電設備，以管理突波事件引起的應力。

Analog Devices 的一組解決方案專門用於支援突波保護設計方法，同時還可滿足乙太網路連接裝置內強大功能的特殊要求。

在乙太網路中建立突波保護

10BASE-T1L 實體層乙太網路標準，可針對從傳統通訊方式轉換到乙太網路式連線的組織，提供可連接工廠內遠端和危險位置邊緣設備所需的關鍵鏈路，其方式是使用符合 IEEE 802.3cg 標準的 10 Mbps 單對乙太網路 (SPE) 纜線。Analog Devices 的 ADIN1100 專為支援這些標準所設計，是一款低功耗單埠收發器，可支援乙太網路連線，覆蓋距離最長可達 1,700 m。ADIN1100 僅消耗 39 mW 的功率，可將全面的功能架構與硬體介面相結合，而此介面旨在簡化主機處理器與乙太網路的連接 (圖 2)。

圖 2：ADIN1100 提供完整的 10BASE-T1L PHY，可簡化從工業系統到乙太網路的轉換。(圖片來源：Analog Devices)

ADIN1100 的突波保護設計具有整合式電源供應器監控和開機重置 (POR) 電路，有助於提高系統穩定性，確保即使在不穩定條件下也能穩定運作。藉助 Analog Devices 的 EVAL-ADIN1100-EBZ 評估板，開發人員可以快速評估 ADIN1100 的效能，同時開發其他突波保護機制。

此評估板除了 LED 狀態指示燈、按鈕和介面連接外，還提供測試點、用於檢查替代纜線連接方法的小型原型開發區域，以及選配的隔離變壓器或電源耦合電感 (圖 3)。

圖 3：EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 簡化 ADIN1100 效能的評估並對各種突波保護設計機制進行相關實驗。(圖片來源：Analog Devices)

工業乙太網路受電裝置控制器

Analog Devices 的 LTC9111 適合工業 SPE 應用，是一款符合 IEEE 802.3cg 標準的單對乙太網路供電 (SPoE) 受電裝置控制器，操作範圍介於 2.3 至 60 V，相當寬廣。若在系統中，受電裝置 (PD) 和供電設備 (PSE) 要共用所需功率等級相關資訊，則此裝置可支援該系統中的序列通訊分類協定 (SCCP)。

LTC9111 可支援 IEEE 802.3cg，降低突波事件的影響，不過，若開發人員要在突波敏感應用中使用此元件，還可包括電壓鉗位 (例如 TVS 二極體)。結合 ADIN1100 與 TVS，即可提供有效的解決方案，實作可在長距離運作的 SPoE 解決方案 (圖 4)。

圖 4：LTC9111 與 ADIN1100 結合，可簡化 SPoE 設計；只需幾個額外元件，即可完成工業乙太網路連接的受電裝置端。(圖片來源：Analog Devices)

SPoE PSE 控制器

對於符合 802.3cg 標準的應用的供電端，LTC4296-1 是一款五埠 SPoE PSE 控制器，旨在與 24 或 54 V 系統中的 802.3cg PD 互通。此元件輸入電壓範圍為 6 至 60 V ，可支援眾多保護功能，包括使用外部 N 通道 MOSFET、折返類比電流限制 (ACL)、可調式電源、迴路電子電路斷路器等。如需額外突波保護，開發人員可增加 TVS 二極體 (如 Littelfuse SMAJ58A)，以降低供電尖波 (圖 5)。

圖 5：LTC4296-1 五埠 SPoE 控制器可補強 LTC9111 PD 控制器，進而簡化工業乙太網路連接的 PSE 端設計。(圖片來源：Analog Devices)

若使用 Analog Devices 的 EVAL-SPoE-KIT-AZ 評估套件，開發人員可快速累積 PSE 控制器的經驗。此套件可協助設計人員研究一個符合 IEEE 802.3 標準的完整 SPoE 應用。此套件隨附 LTC4296-1 和 LTC9111 型主機板，且每個板皆可託管透過 SPE 纜線連接的 ADIN1100 型擴充板 (圖 6)。

圖 6：EVAL-SPoE-KIT-AZ 評估套件提供一套完整的硬體板和纜線，可用於評估基於 LTC4296-1 PSE 和 LTC9111 PD 控制器以及 ADIN1100 10BASE-T1L 乙太網路 PHY 元件的 SPoE 應用。(圖片來源：Analog Devices)

儘管 LTC4296-1 PSE 控制器、LTC9111 PD 控制器和 ADIN1100 10BASE-T1L 乙太網路 PHY 元件，能夠快速實作出符合 IEEE 802.3cg 標準的 SPoE 解決方案，但另一款 Analog Devices 解決方案則可滿足對主動箝位控制器的需求。

主動箝位 PWM 控制器

Analog Devices 的 MAX5974 系列元件是一種主動箝位的展頻、電流模式脈寬調變 (PWM) 控制器，用於提高 PoE PD 應用的電源效率。MAX5974 系列元件包含多種版本可供選用。例如，MAX5974D 旨在使用傳統的光耦合器回授來支援輸出調節。相較之下，MAX5974B 則在不使用光耦合器的情況下支援輸出調節，同時還能達到耦合電感輸出，以取得轉換器供應輸入 (IN) (圖 7)。

圖 7：Analog Devices 的 MAX5974B 無需使用回授中的光耦合器，且可從耦合電感輸出中取得轉換器輸入 (IN) 電壓，進而簡化主動箝位轉換器設計。(圖片來源：Analog Devices)

MAX5974 元件整合前授式最大工作週期鉗位，可確保在暫態狀況期間，最大鉗位電壓始終不受線路電壓的影響。此元件的逐週期電流限制功能，有助於進一步保護敏感電子元件。當元件偵測到已達到峰值電流限制，且持續超過閾值持續時間時，會暫時關閉其主開關閘極驅動輸出 (NDRV) 和主動鉗位開關閘極驅動輸出 (AUXDRV)，以便在嘗試軟啟動前消散過載電流。

採用各種方法進行突波保護

這些產品可提供多種方法，在乙太網路中進行突波保護。ADIN1100 可確保長範圍和低功耗運作，為網路提供堅實可靠的基礎。LTC9111 和 LTC4296 控制器可串聯工作，以管理電力傳輸，並防止 PD 和 PSE 等級的突波。MAX5974 可確保高效率電力轉換，並降低突波事件期間的可能造成的能源浪費，以此補強此設定的不足。

協同實作這些產品，開發人員可以顯著增強乙太網路的突波保護能力。這種整合方法可以保護硬體，並確保通訊不間斷以及操作連續性。

結論

乙太網路為工業通訊提供顯著的優勢，但由於纜線佈線較長，因此會讓敏感電子元件容易受到突波事件的影響。開發人員可以使用 Analog Devices 的一組元件和開發資源，快速實作能夠抵抗突波事件影響的乙太網路連線。