Cara Mencegah Ancaman Tegangan Transien Antarmuka PoE Menggunakan Mode Diferensial

- Aug 14, 2019-

Dengan pertumbuhan Ethernet yang cepat di bidang jaringan, jumlah sistem yang menggunakan PoE (catu daya ethernet) pada port 10/100 dan GB juga meningkat dengan cepat. Manfaat dan keuntungan biaya dari memasok daya ke perangkat jarak jauh melalui kabel Ethernet memungkinkan banyak aplikasi (termasuk IP telephony, pengawasan video digital, titik akses WLAN dan sistem koneksi jaringan tegangan rendah lainnya) untuk diimplementasikan.

  

Sistem PoE tipikal menggunakan peralatan catu daya (PSE) untuk mengirim tegangan DC ke peralatan penerima jauh (PD) melalui pair twisted Ethernet. Karena sistem PoE sering terancam oleh tegangan transien, salah satu masalah penting yang harus dipertimbangkan dalam desain adalah untuk melindungi transceiver layer fisik (PHY) Ethernet dari dampak tegangan lebih.

  Dengan pertumbuhan aplikasi PoE, ukuran Ethernet PHY menyusut dengan cepat. Saat ini, Ethernet PHY sebagian besar diproduksi menggunakan teknologi 90-nm, tetapi produsen chip akan segera memperkenalkan produk yang lebih kecil yang diproduksi menggunakan teknologi 65-nm. Fakta menunjukkan bahwa tidak praktis untuk menerapkan perlindungan ESD tingkat chip yang efektif dalam CMOS dengan teknologi manufaktur canggih ini, karena area chip terlalu kecil untuk memberikan ketahanan tingkat sistem, dan biaya untuk mencapai perlindungan level chip efektif terlalu tinggi. Untuk memenuhi persyaratan standar global dan memastikan keandalan sistem, desain sistem saat ini berdasarkan Ethernet semakin menuntut perlindungan sirkuit off-chip yang lebih baik.

Ancaman Tegangan Transien

image

Antarmuka Ethernet rentan terhadap berbagai peristiwa tegangan lebih transien, yang paling umum adalah pelepasan muatan listrik statis (ESD), pelepasan kabel dan gelombang petir. Selain itu, dalam sistem PoE, transmisi daya DC melalui twisted pair mengarah ke beberapa kesalahan sementara khusus yang disebabkan oleh koneksi mode diferensial.

  ESD adalah pulsa sementara yang sangat cepat. Menurut model yang diberikan oleh standar IEC61000-4-2, waktu naik bentuk gelombang ESD adalah 700 picoseconds menjadi 1 nanosecond, dan durasi pulsa dari arus puncak ke 50% adalah 60 nanoseconds. Paku arus besar dan energi transien dapat merusak struktur input submikron chip silikon.

   Pelepasan kabel (CDE), atau pelepasan muatan elektrostatik kabel (CESD), terjadi ketika kabel Ethernet diisi di bawah lingkungan konvensional seperti efek gesekan atau induksi. Berbahaya memasukkan kabel langsung ke antarmuka sistem. Fakta menunjukkan bahwa kabel dilepaskan ke port Ethernet melalui saluran magnetik Ethernet akan membentuk beberapa mode gelombang yang berbeda. Mirip dengan ESD, waktu kenaikan lonjakan kabel sangat pendek (kurang dari 1 nanodetik), tetapi tidak seperti ESD, bentuk gelombang sekunder berosilasi dengan cepat dan berlangsung lama. Untuk perancang Ethernet, energi dalam bentuk gelombang pelepasan kabel dapat menyebabkan masalah yang lebih serius daripada pelepasan muatan listrik statis manusia.

  Gelombang petir adalah ancaman umum dalam koneksi jaringan. Kejutan petir dapat menghasilkan pulsa tegangan tinggi yang dapat ditransmisikan ke Ethernet PHY melalui jalur Ethernet. Tidak seperti peristiwa ESD nanodetik, kilatan petir berlangsung selama milidetik. Industri EMC menggambarkan pulsa seperti itu dalam hal naik waktu (milidetik), arus pulsa puncak dan waktu jatuh. Energi kejut petir beberapa kali lipat lebih besar daripada ESD shock.

   Differential Mode Transient Response dalam Aplikasi PoE

 

Seperti disebutkan sebelumnya, perlindungan antarmuka PoE bisa sangat menantang, karena selain proses sementara yang disebabkan oleh ESD dan lonjakan, ada beberapa situasi umum yang dapat menyebabkan lonjakan diferensial pada saluran transmisi Ethernet saat menghubungkan ke daya DC. Ini secara alami akan menyebabkan kegagalan atau masalah berbahaya untuk PHY, dan guncangan parah dapat merusak IC.

   Sebagian besar perancang sirkuit PoE mengambil beberapa bentuk perlindungan mode-umum untuk melindungi sirkuit PoE. Kapasitor mode-umum yang terhubung ke ground atau Supresor Tegangan Transien TVS yang terhubung ke kedua ujung catu daya, yang mengandalkan dioda Schottky yang sangat cepat untuk mengalirkan arus langsung ke ground, umumnya digunakan. Namun, banyak desainer keliru mengabaikan perlindungan mode diferensial. Pasangan diferensial Ethernet mengisolasi PHY dari lingkungan eksternal menggunakan transformator atau represi arus mode umum. Transformer dapat menyediakan isolasi mode umum tingkat tinggi untuk tegangan eksternal, tetapi tidak dapat memberikan perlindungan untuk lonjakan logam atau diferensial (jalur-ke-jalur).

 

Sistem PoE memiliki tegangan + 48V atau - 48V pada pasangan diferensial. Dalam penyelarasan jalur sinyal, tegangan DC ini bersifat publik, sehingga tegangan DC diferensial adalah 0 volt. Namun, dalam beberapa kasus, koneksi dapat memperkenalkan proses sementara.

   Misalnya, pengikatan pin mungkin tidak terjadi secara serempak ketika koneksi RJ-45 dibuat antara peralatan catu daya dan peralatan penerima daya. Ketika pin menghubungi RJ-45, pin 1 dapat terjadi lebih awal atau lebih lambat dari pin 2. Ini akan menghasilkan proses transien diferensial 48V pada pasangan saluran, yang akan merusak atau merusak PHY dari rangkaian PoE. Situasi serupa terjadi ketika pengguna mengalihkan koneksi dari perangkat yang sudah bertenaga ke perangkat tidak berdaya pada port daya yang sama. Ketika perangkat catu daya mendeteksi bahwa perangkat yang tidak berdaya telah terhubung, akan ada penundaan ketika perangkat catu daya memutuskan catu daya ke yang sebelumnya. Dalam hal ini, daya dapat bertahan cukup lama untuk membentuk tegangan diferensial 48V oleh koneksi pin yang tidak simultan. Mode diferensial transien yang disebabkan oleh situasi ini dapat merusak atau merusak PHY.

   Dioda Transient Voltage Suppression (TVS)

   Jelas, karena struktur PoE terkena ancaman lingkungan yang keras, maka struktur itu perlu dilindungi oleh sirkuit off-chip. Diode TVS tegangan rendah adalah teknologi perlindungan yang matang untuk transceiver Ethernet. Dioda memiliki respons cepat (tingkat sub-nanodetik), kapasitansi rendah dan tegangan penjepit rendah, dan sangat cocok untuk menahan berbagai lonjakan transien.

  

Untuk memberikan perlindungan diferensial untuk rangkaian PoE, skema perlindungan dioda TVS yang efektif harus mampu menjepit transient / surge dan menghadirkan kapasitansi beban terkecil pada antarmuka. TVS harus menyediakan tegangan penjepit rendah dan, sebagai aturan umum, kapasitansi line-to-line tidak boleh melebihi beberapa metode kulit. Selain itu, sebagai persyaratan unik dari rangkaian PoE, konfigurasi TVS harus mempertimbangkan keberadaan voltase +/- 48V antara pasangan on-line. Karena tegangan DC yang tinggi antara pasangan kabel yang berbeda, array dioda terintegrasi atau menjembatani perangkat TVS yang membentuk jalur listrik antara setiap pasangan kabel tidak dapat digunakan. Pasangan diferensial harus diisolasi secara listrik.

  

Contoh skema POE TVS diimplementasikan oleh Semtech RClamp 0524S untuk menolak mode diferensial sementara diberikan. Dalam implementasi sirkuit perlindungan PoE, ada beberapa keuntungan menempatkan sirkuit perlindungan di sisi catu daya: tidak hanya melindungi sirkuit sakelar daya hilir, tetapi juga menghindari arus transien yang mengalir melalui transformator. Karena setiap induktansi tambahan meningkatkan tegangan penjepit ESD dari dioda TVS, TVS harus sedekat mungkin dengan konektor. Susunan TVS dalam contoh ini memiliki kapasitansi inter-line kecil, dan karena pasangan dioda ini dipisahkan dalam paket, mereka juga menyediakan isolasi jalur yang diperlukan untuk mengisolasi tegangan 48V antara pasangan diferensial. Selain itu, tata letak aliran yang ditunjukkan pada Gambar 3 mengurangi total induktansi dalam jalur transien dan memfasilitasi tata letak PCB.


Sepasang:Pemilihan Merek Sakelar Industri OPTFOCUS Berikutnya:Apa Keuntungan Dari Mekanisme Hemat Energi Dalam Sistem Catu Daya Ethernet?