作者：Stephen Evanczuk

　　随着以太网成为工业通信的支柱，其基础设施对雷击等浪涌事件的敏感性提出了严峻的挑战。此类事件可能会引起接地环路和磁耦合电压，从而可能导致操作系统瘫痪。

　　为了保持以太网连接设备的系统完整性和功能，开发人员需要一种强大的解决方案来保护敏感电子设备免受破坏性能量传输的影响。

　　本文简要介绍了浪涌如何影响电子系统。然后介绍Analog Devices的保护器件，并展示如何使用它们来缓解浪涌事件。

　　浪涌事件如何影响电子系统

　　电涌事件的发生有多种因素，其中闪电是最具戏剧性和破坏性的。即使在几英里之外，雷击也会在电子系统中感应出接地回路和磁耦合电压。这种瞬态过压可能会损坏敏感电子设备并扰乱关键操作。

　　电涌事件对电子系统的影响不仅仅限于暂时故障。这些高能量传输可能会对电路造成不可逆转的损坏，从而导致昂贵的维修和系统停机。在以太网中，浪涌事件可能会损坏网络硬件和连接的设备，导致数据丢失、系统性能降低，甚至系统完全故障。

　　以太网基础设施对浪涌事件的敏感性源于其广泛的覆盖范围和互连性质。当以太网电缆穿越长距离时，它们会吸收环境中的电磁干扰，包括浪涌事件产生的感应电压和电流，到达看似与浪涌点隔离的设备(图 1a)。

　　图 1：未受保护的以太网安装很容易受到通过敏感电子器件的浪涌事件的影响 (a)，但使用保护平面等浪涌保护设计方法可以为浪涌电流提供安全路径 (b)。 (图片来源：Analog Devices)

　　开发人员必须实施强大的浪涌保护措施，以保护敏感电子设备免受这些高能量传输的影响，确保系统的完整性和功能性。这涉及到使用浪涌保护设备来保护网络中的关键点，这些设备能够将多余的能量从敏感组件中转移出去，方法是接地或使用保护平面等技术安全地耗散能量(图 1b)。

　　为了帮助在其连接的设备中构建浪涌保护，开发人员依靠先进的设计方法，例如使用瞬态电压抑制器 (TVS) 的电压钳位、隔离方法、高频滤波和其他技术。同时，成功的浪涌保护需要将这些技术与专用组件相结合，包括以太网物理层 (PHY) 设备、控制器和电源设备，旨在管理浪涌事件引起的应力。

　　Analog Devices 的一套解决方案专门用于支持浪涌保护设计方法，同时满足以太网连接设备中强大功能的特殊要求。

　　在以太网中构建浪涌保护

　　对于从传统通信过渡到基于以太网的连接的组织来说，10BASE-T1L 物理层以太网标准的出现提供了使用 IEEE 802.3cg 标准连接工厂内远程和危险位置的边缘设备所需的关键链路，每 10 兆比特。第二根 (Mbps) 单对以太网 (SPE) 电缆。 Analog Devices 的ADIN1100是一款低功耗单端口收发器，旨在支持这些标准，支持最远 1,700 米 (m) 距离的以太网连接。 ADIN1100 的功耗仅为 39 毫瓦 (mW)，将全面的功能架构与硬件接口相结合，旨在简化主机处理器与以太网的连接(图 2)。

　　图 2：ADIN1100 提供完整的 10BASE-T1L PHY，简化了工业系统到以太网的过渡。 (图片来源：Analog Devices)

　　ADIN1100 的浪涌保护设计具有集成电源监控和加电复位 (POR) 电路，有助于提高系统稳健性，确保即使在不稳定条件下也能稳定运行。借助 Analog Devices 的EVAL-ADIN1100-EBZ评估板，开发人员可以快速评估 ADIN1100 的性能并探索其他浪涌保护机制。

　　除了 LED 状态指示灯、按钮和接口连接之外，评估板还提供测试点、用于检查替代电缆连接方法的小型原型设计区域以及可选的隔离变压器或电源耦合电感器(图 3)。

　　图 3：EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 简化了 ADIN1100 性能的评估以及浪涌保护设计机制的实验。 (图片来源：Analog Devices)

　　工业以太网供电的设备控制器

　　Analog Devices LTC9111专为工业 SPE 应用而设计，是一款符合 IEEE 802.3cg 标准的单对以太网供电 (SPoE) 受电设备控制器，具有 2.3 至 60 V 的宽工作电压范围。该器件支持受电设备 (PD) 和供电设备 (PSE) 共享有关所需功率等级信息的系统中的串行通信分类协议 (SCCP)。

　　LTC9111 支持 IEEE 802.3cg，旨在减少浪涌事件的影响，但在浪涌敏感应用中使用该器件的开发人员可以包括一个电压钳位器，例如 TVS 二极管。 TVS 与 ADIN1100 相结合，为实施可远距离运行的 SPoE 解决方案提供了有效的解决方案(图 4)。

　　图 4：LTC9111 与 ADIN1100 相结合，简化了 SPoE 设计，仅需要几个额外组件即可完成工业以太网连接的受电设备侧。 (图片来源：Analog Devices)

　　SPoE PSE 控制器

　　对于 802.3cg 兼容应用的电源侧，LTC4296-1是一款五端口 SPoE PSE 控制器，专为与 24 或 54 V 系统中的 802.3cg PD 实现互操作性而设计。该器件具有 6 至 60 V 输入电压范围，支持广泛的保护功能，包括使用外部 N 沟道 MOSFET、折返模拟电流限制 (ACL)、可调源和返回电子断路器等。为了获得额外的浪涌保护，开发人员可以添加 TVS 二极管(例如Littelfuse SMAJ58A)来缓解电源尖峰(图 5)。

　　图 5：LTC4296-1 五端口 SPoE 控制器作为 LTC9111 PD 控制器的补充，简化了工业以太网连接 PSE 侧的设计。 (图片来源：Analog Devices)

　　使用 Analog Devices 的EVAL-SPoE-KIT-AZ评估套件，开发人员可以快速获得 PSE 控制器经验。该套件使设计人员能够研究完整的 IEEE 802.3 兼容 SPoE 应用。它配备了基于 LTC4296-1 和 LTC9111 的主板，每个主板都托管通过 SPE 电缆连接的基于 ADIN1100 的插件屏蔽(图 6)。

　　图 6：EVAL-SPoE-KIT-AZ 评估套件提供了一整套硬件板和电缆，用于评估基于 LTC4296-1 PSE 和 LTC9111 PD 控制器以及 ADIN1100 10BASE-T1L 以太网 PHY 器件的 SPoE 应用。 (图片来源：Analog Devices)

　　虽然 LTC4296-1 PSE 控制器、LTC9111 PD 控制器和 ADIN1100 10BASE-T1L 以太网 PHY 器件能够快速实施符合 IEEE 802.3cg 标准的 SPoE 解决方案，但 Analog Devices 的另一个解决方案可满足有源钳位控制器的需求。

　　有源钳位 PWM 控制器

　　Analog Devices 的MAX5974系列器件是有源钳位、扩频、电流模式脉宽调制 (PWM) 控制器，旨在提高 PoE PD 应用中电源的效率。 MAX5974系列器件有多种型号。例如，MAX5974D设计用于支持使用传统光耦合器反馈的输出调节。相比之下，MAX5974B 的设计无需光耦合器即可支持输出调节，同时使耦合电感器输出能够导出转换器电源输入 (IN)(图 7)。

　　图 7：Analog Devices 的 MAX5974B 消除了反馈中的光耦合器，并从耦合电感器输出中获取转换器输入 (IN) 电压，从而简化了有源钳位转换器设计。 (图片来源：Analog Devices)

　　MAX5974器件中集成的前馈、最大占空比钳位确保最大钳位电压在瞬态条件下保持与线路电压无关。该器件的逐周期电流限制功能有助于进一步保护敏感电子器件。当器件检测到已达到峰值电流限制并持续超过阈值持续时间时，它会暂时关闭其主开关栅极驱动输出 (NDRV) 和有源钳位开关栅极驱动输出 (AUXDRV)，从而消除过载电流在尝试软启动之前。

　　应用广泛的浪涌保护方法

　　这些产品为以太网中的浪涌保护提供了广泛的方法。 ADIN1100 确保长距离和低功耗运行，为网络奠定了坚实的基础。 LTC9111 和 LTC4296 控制器协同工作，以管理功率传输并防止 PD 和 PSE 级别的浪涌。 MAX5974 补充了这一设置，确保高效的电源转换并减少浪涌事件期间能源浪费的可能性。

　　通过协调实施这些产品，开发人员可以显着增强以太网的浪涌保护能力。这种集成方法可以保护硬件并确保不间断的通信和操作连续性。

　　结论

　　以太网为工业通信提供了显着的优势，但较长的电缆线路使敏感电子设备容易受到浪涌事件的影响。使用 Analog Devices 的一组器件和开发资源，开发人员可以快速实现能够抵抗浪涌事件影响的以太网连接。