Дискретные или интегрированные: Изучение вариантов защиты переднего фронта Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet (GbE) - это относительно надежная высокоскоростная система связи, широко используемая в бытовых, коммерческих и промышленных помещениях. Однако эта надежность будет поставлена под сомнение, если на разъем неожиданно попадет переходное напряжение высокого уровня. Такие переходные процессы могут быть вызваны ударами молнии и электростатическими разрядами (ESD). Без защиты скачок напряжения проходит через разъем и может быстро вывести из строя кремний физического уровня GbE (PHY).
Поэтому неудивительно, что при проектировании фронтэнда GbE требуется высокая степень защиты. Обычно для этого используется разделительный трансформатор. Спецификация GbE (IEEE 802.3) определяет минимальный номинал изоляции 2,1 киловольта (кВ) для передней панели GbE, но большинство коммерческих трансформаторов обеспечивают номинал изоляции от 4 до 8 кВ. Дополнительная защита интерфейсов GbE обеспечивается дросселем общей моды (CMC) - индуктором, который блокирует высокочастотный переменный ток (AC) и помогает уменьшить силу всплесков ESD.
Дополнительную степень защиты может обеспечить оконечник "Боб Смит". Конструкция названа в честь патента, срок действия которого истек, и который был подан Робертом В. Смитом в 1993 году. Патент касается "устройства для оконцевания кабеля с целью минимизации излучения, исходящего от кабеля, и восприимчивости кабеля к внешним помехам". В приложениях GbE для заделки кабеля Боба Смита обычно используется резистор сопротивлением 75 Ом (Ω) для согласования импеданса общего режима, чтобы уменьшить излучение общего режима для пар сигналов, соединенных через конденсатор с землей (рис. 1).
 |
Рисунок 1. Защита от скачков напряжения и электростатических разрядов для каждого канала в системе Gigabit Ethernet обычно состоит из разделительного трансформатора, CMC и оконечного устройства Боба Смита.
Сравнение дискретной и встроенной защиты GbE
У вас, как у проектировщика, есть три стандартных варианта реализации защиты GbE. Первый вариант - выбрать собственный трансформатор, CMC, заделку Боба Смита и другие компоненты заземления и приступить к проектированию схемы для своей печатной платы. Преимущества этого варианта в том, что вы можете максимизировать уровень защиты за счет выбора высококлассных компонентов, сэкономить на их стоимости по сравнению с другими вариантами и получить удовольствие от создания оригинального дизайна. Недостатком является то, что процесс проектирования непрост и, скорее всего, займет много времени, а отдельные компоненты займут больше места, чем интегрированные решения.
Второй вариант - выбрать модуль, объединяющий трансформатор и CMC в один компонент. Модуль может объединять несколько трансформаторов и CMC в один компонент для размещения нескольких каналов. Преимуществами этого варианта являются экономия места и более простой цикл проектирования, хотя, возможно, вам все же придется включить заделку Боба Смита и другие компоненты заземления.
Компания Würth Elektronik предлагает ряд таких модулей в своей линейке WE-LAN. Рассмотрим 749020310 WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T устройство поверхностного монтажа (SMD). Этот компонент защищает четыре канала и имеет индуктивность 350 микрогенри (мкГн), дифференциальный коэффициент отклонения общих мод (CMRR) в диапазоне частот от 60 до 100 мегагерц (МГц) -30 децибел (дБ) и пропускное напряжение испытания изоляции 1500 вольт (RMS) в течение одной минуты.
Третий вариант - выбор разъема RJ45 со встроенным трансформатором и CMC. Это наиболее компактная конструкция. Компромиссом является недостаточная гибкость компонентов фронтальной части GbE. Примером такого разъема RJ45 является 7499611420 WE-RJ45LAN от Würth Elektronik с трансформатором 10/100/1000/10G Base-T, в который интегрированы четыре защищенных канала, включая трансформаторы, CMC и даже оконечные резисторы 75 Ом. Индуктивность разъема составляет 120 мкГн, дифференциальный CMRR в диапазоне частот от 1 до 100 МГц -28 дБ, а пропускное напряжение при испытании изоляции составляет 1500 вольт (RMS) в течение одной минуты (рис. 2).
 |
Рисунок 2: В 7499611420 компании Würth Elektronikинтегрированы четыре канала защиты разделительного трансформатора, CMC и оконечного резистора. (Image source: Würth Elektronik)
Экономия места при использовании разъема RJ45 со встроенной защитой впечатляет, что делает этот компонент полезным для приложений с ограниченным пространством (рис. 3).
 |
Рисунок 3: По сравнению с отдельными компонентами (a), интеграция защиты GbE в разъем RJ45 (b) устраняет необходимость в модуле защиты и экономит место на печатной плате.
Испытание на электромагнитную совместимость
Вы можете задаться вопросом, не подрывает ли плотное размещение схемы в разъеме RJ45 защиту, обеспечиваемую этой схемой. Ответ на этот вопрос содержится в обширной инструкции по применению (ANP116) "Интерфейс Gigabit Ethernet с точки зрения ЭМС", в которой компания Würth Elektronik тестирует эталонные проекты, показанные на рис. 3 (a) и (b).
Одним из важных моментов является влияние кабелей Ethernet на электромагнитную совместимость (ЭМС) системы GbE: оказалось, что тип кабеля не оказывает существенного влияния на ЭМС, но неэкранированные кабели (что, возможно, неудивительно) демонстрируют более высокий уровень помех и более низкий уровень устойчивости (до 20 дБ ниже), чем экранированные конструкции.
Итак, с кабелями все понятно, а что же с фронтальными узлами? В записке по применению компания Würth Elektronik делает вывод, что два эталонных образца отличаются по электромагнитной совместимости (ЭМС), в основном в отношении их устойчивости к высоким уровням напряжения "всплеска".
Эти всплески возникают, когда переключение индуктивных цепей вызывает искрение. Всплески помех сильно отражаются на структуре проводников Ethernet. Дискретная (модульная) конструкция интерфейса Ethernet рекомендуется, когда требуется повышенная производительность в условиях ЭМС с высокими уровнями всплесков.
За исключением этого различия в ЭМС при воздействии всплесков, поведение ЭМС двух типов сопоставимо, и обе конструкции постоянно превосходят сертификационные ограничения Федеральной комиссии по связи США (FCC) класса B для бытового оборудования в диапазоне частот 1 гигагерц (ГГц) по крайней мере на 10 дБ (рис. 4).
 |
Рисунок 4: Сравнение характеристик ЭМС (излучение помех) дискретного (модуль) и интегрированного (разъем RJ45) устройств с сертификационными ограничениями FCC класса B для бытового оборудования.
На рисунке 4 представлен наихудший сценарий, когда неэкранированные кабели имеют горизонтальную поляризацию антенны. Экранированные кабели еще больше снижают уровень излучения.
Экспериментируйте с вариантами трансформаторов, используя наборы для конструирования
Поскольку защита цепи является обязательной для установок GbE, компоненты совершенствовались в течение многих лет, и схема уже отработана. В результате эталонные образцы и дискретные компоненты позволяют инженеру создать собственную реализацию, но многие коммерческие варианты предлагают интегрированные решения.
Компания Würth Elektronik предлагает удобный набор для проектирования - 749945. Набор содержит множество примеров трансформаторов WE-RJ45 LAN, с которыми вы можете поиграть.
Заключение
Популярные варианты защиты цепей GbE включают модули, интегрирующие схему защиты и расположенные между разъемом RJ45 и GbE PHY, или разъемы RJ45, которые обходятся без модуля, размещая схему защиты в своем корпусе. Выбор сводится к компромиссу между занимаемым пространством и гибкостью конструкции передней панели, при этом оба варианта обеспечивают защиту в пределах сертификационных ограничений.
