Cómo prevenir la amenaza de voltaje transitorio de la interfaz PoE usando el modo diferencial

- Aug 14, 2019-

Con el rápido crecimiento de Ethernet en el campo de las redes, la cantidad de sistemas que utilizan PoE (fuente de alimentación de Ethernet) en puertos 10/100 y GB también está aumentando rápidamente. Los beneficios y las ventajas económicas de suministrar energía a dispositivos remotos a través de cables Ethernet permiten implementar muchas aplicaciones (incluida la telefonía IP, la videovigilancia digital, los puntos de acceso WLAN y otros sistemas de conexión de red de bajo voltaje).

  

Los sistemas PoE típicos utilizan equipos de suministro de energía (PSE) para enviar voltaje de CC al equipo receptor remoto (PD) a través de un par trenzado Ethernet. Como el sistema PoE a menudo se ve amenazado por el voltaje transitorio, una de las cuestiones importantes a tener en cuenta en el diseño es proteger el transceptor de capa física (PHY) de Ethernet del impacto de sobretensión.

  Con el crecimiento de las aplicaciones PoE, el tamaño de Ethernet PHY se está reduciendo rápidamente. En la actualidad, Ethernet PHY se fabrica principalmente con tecnología de 90 nm, pero los fabricantes de chips pronto presentarán productos más pequeños fabricados con tecnología de 65 nm. Los hechos muestran que no es práctico implementar una protección ESD efectiva a nivel de chip en CMOS con estas tecnologías de fabricación avanzadas, porque el área del chip es demasiado pequeña para proporcionar robustez a nivel de sistema, y el costo de lograr una protección efectiva a nivel de chip es demasiado alto. Para cumplir con los requisitos de los estándares globales y garantizar la confiabilidad del sistema, el diseño actual del sistema basado en Ethernet exige cada vez más una mejor protección del circuito fuera del chip.

Amenaza de voltaje transitorio

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La interfaz Ethernet es vulnerable a varios eventos de sobretensión transitoria, los más comunes son la descarga electrostática (ESD), la descarga del cable y la descarga de rayos. Además, en el sistema PoE, la transmisión de energía de CC a través de par trenzado conduce a algunas fallas transitorias especiales causadas por la conexión en modo diferencial.

  La ESD es un pulso transitorio muy rápido. Según el modelo proporcionado por el estándar IEC61000-4-2, el tiempo de subida de la forma de onda ESD es de 700 picosegundos a 1 nanosegundo, y la duración del pulso desde la corriente máxima al 50% es de 60 nanosegundos. Los picos de corriente grandes y la energía transitoria pueden dañar la estructura de entrada submicrónica de los chips de silicio.

   La descarga del cable (CDE), o la descarga electrostática del cable (CESD), ocurre cuando el cable Ethernet se carga en el entorno convencional, como el efecto de carga por fricción o la inducción. Es peligroso insertar cables con corriente en la interfaz del sistema. El hecho muestra que las descargas de cable al puerto Ethernet a través del canal magnético Ethernet formarán varios modos diferentes de sobretensiones. Similar a la ESD, el tiempo de subida de la descarga de la descarga del cable es muy corto (menos de 1 nanosegundo), pero a diferencia de la ESD, la forma de onda secundaria oscila rápidamente y dura mucho tiempo. Para los diseñadores de Ethernet, la energía en las formas de onda de descarga del cable puede causar problemas más graves que la descarga electrostática humana.

  El rayo es una amenaza común en la conexión de red. Los rayos pueden generar pulsos de alto voltaje que pueden transmitirse a Ethernet PHY a través de la línea Ethernet. A diferencia de los eventos de ESD en nanosegundos, las sobretensiones duran milisegundos. La industria de EMC describe dichos pulsos en términos de tiempo de subida (milisegundos), corriente de pulso pico y tiempo de caída. La energía del choque de un rayo es varios órdenes de magnitud mayor que la del choque ESD.

   Respuesta transitoria en modo diferencial en aplicaciones PoE

 

Como se mencionó anteriormente, la protección de la interfaz PoE puede ser particularmente desafiante, porque además del proceso transitorio causado por ESD y sobretensión, hay varias situaciones comunes que pueden causar sobretensiones diferenciales en la línea de transmisión Ethernet cuando se conecta a la alimentación de CC. Naturalmente, esto causará fallas o problemas desastrosos para PHY, y los golpes severos pueden dañar el CI.

   La mayoría de los diseñadores de circuitos PoE toman alguna forma de protección de modo común para proteger el circuito PoE. Los condensadores de modo común conectados a tierra o los supresores de voltaje transitorio TVS conectados a ambos extremos de la fuente de alimentación, que se basan en diodos Schottky muy rápidos para la corriente directa a tierra, se usan comúnmente. Sin embargo, muchos diseñadores ignoran por error la protección en modo diferencial. El par diferencial de Ethernet aísla PHY del entorno externo mediante transformadores o represión de corriente en modo común. Los transformadores pueden proporcionar aislamiento de modo común de alto nivel para voltajes externos, pero no pueden proporcionar protección para sobretensiones metálicas o diferenciales (línea a línea).

 

El sistema PoE tiene un voltaje de + 48V o - 48V en par diferencial. En la alineación de la línea de señal, este voltaje de CC es público, por lo que el voltaje de CC diferencial es de 0 voltios. Sin embargo, en algunos casos, la conexión puede introducir procesos transitorios.

   Por ejemplo, la conexión del pin puede no ocurrir sincrónicamente cuando se realizan conexiones RJ-45 entre el equipo de suministro de energía y el equipo de recepción de energía. Cuando el pin hace contacto con el RJ-45, el pin 1 puede ocurrir antes o después que el pin 2. Esto dará como resultado un proceso transitorio diferencial de 48 V en el par de líneas, lo que dañará o dañará la PHY del circuito PoE. Situaciones similares ocurren cuando un usuario cambia una conexión de un dispositivo ya alimentado a un dispositivo no alimentado en el mismo puerto de alimentación. Cuando el dispositivo de fuente de alimentación detecta que se ha conectado un dispositivo sin alimentación, habrá un retraso cuando el dispositivo de fuente de alimentación termine la fuente de alimentación al primero. En este caso, la potencia puede durar lo suficiente como para formar un voltaje diferencial de 48 V mediante la conexión no simultánea de pines. El transitorio en modo diferencial causado por esta situación puede dañar o dañar PHY.

   Diodos de supresión de voltaje transitorio (TVS)

   Obviamente, debido a que la estructura PoE está expuesta a amenazas ambientales severas, necesita ser protegida por circuitos sin chip. El diodo TVS de bajo voltaje es una tecnología de protección madura para el transceptor Ethernet. El diodo tiene una respuesta rápida (nivel de sub nanosegundos), baja capacitancia y bajo voltaje de sujeción, y es muy adecuado para resistir varias sobretensiones transitorias.

  

Para proporcionar protección diferencial para circuitos PoE, un esquema de protección de diodo TVS eficaz debe ser capaz de sujetar el transitorio / sobretensión y presentar la capacidad de carga más pequeña en la interfaz. Los TVS deben proporcionar un voltaje de pinza bajo y, como regla general, la capacitancia de línea a línea no debe exceder varios métodos de revestimiento. Además, como requisito único del circuito PoE, la configuración de TVS debe considerar la existencia de un voltaje de +/- 48V CC entre pares en línea. Debido al alto voltaje de CC entre diferentes pares de cables, no se pueden utilizar conjuntos de diodos integrados o dispositivos de TVS de puente que formen caminos eléctricos entre cualquier par de cables. Los pares diferenciales deben estar aislados eléctricamente.

  

Se da un ejemplo del esquema POE TVS implementado por Semtech RClamp 0524S para resistir el transitorio en modo diferencial. En la implementación del circuito de protección PoE, existen algunas ventajas de colocar el circuito de protección en el lado de la fuente de alimentación: no solo puede proteger el circuito del interruptor de alimentación aguas abajo, sino que también evita la corriente transitoria que fluye a través del transformador. Dado que cualquier inductancia adicional aumenta el voltaje de la abrazadera ESD del diodo TVS, TVS debe estar lo más cerca posible del conector. Las matrices de TVS en este ejemplo tienen una pequeña capacitancia entre líneas, y dado que estos pares de diodos están separados en el paquete, también proporcionan el aislamiento de línea necesario para aislar el voltaje de 48 V entre pares diferenciales. Además, el diseño de flujo que se muestra en la Figura 3 reduce la inductancia total en la ruta transitoria y facilita el diseño de PCB.


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