Diskret oder integriert: Optionen für den Frontend-Schutz für Gigabit-Ethernet

Gigabit Ethernet (GbE) ist ein relativ robustes Kommunikationssystem mit hoher Geschwindigkeit, das in Privathaushalten, im Handel und in der Industrie weit verbreitet ist. Diese Robustheit wird jedoch in Frage gestellt, wenn eine unerwartete, hohe, transiente Spannung den Steckverbinder überlastet. Solche Transienten können durch Blitzeinschläge und elektrostatische Entladungen (ESD) verursacht werden. Ohne Schutz leitet die Spannungsspitze durch den Steckverbinder und kann das Silizium der physikalischen GbE-Schicht (PHY) schnell zerstören.

Es ist daher keine Überraschung, dass das Design des GbE-Frontends ein hohes Maß an Schutz erfordert. Dies wird in der Regel durch einen isolierenden Übertrager (eine spezielle Form eines Trenntransformators mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1) erreicht. Die GbE-Spezifikation (IEEE 802.3) legt eine Mindestisolation von 2,1 Kilovolt (kV) für das GbE-Frontend fest, die meisten kommerziellen Übertrager bieten jedoch Isolationswerte von 4 bis 8 kV. Zusätzlichen Schutz für GbE-Schnittstellen bietet eine Gleichtaktdrossel (CMC), eine Drosselspule, die Wechselstrom mit höherer Frequenz blockiert und dazu beiträgt, die Intensität von ESD-Spitzen zu verringern.

Eine „Bob Smith“-Terminierung kann einen zusätzlichen Schutz bieten. Das Design ist nach einem inzwischen abgelaufenen Patent von Robert W. Smith aus dem Jahr 1993 benannt. Das Patent umfasst „eine Vorrichtung zum Abschluss des Kabels, um die vom Kabel ausgehenden Emissionen und die Anfälligkeit des Kabels für Störungen von außen zu minimieren“. Bei GbE-Anwendungen wird für den Bob-Smith-Abschluss in der Regel ein 75-Ohm-Widerstand (Ω) verwendet, um eine Gleichtaktimpedanzanpassung zu implementieren, die dazu beiträgt, Gleichtaktemissionen für Signalpaare zu reduzieren, die gemeinsam über einen Kondensator mit Masse verbunden sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Schutz vor Spannungsspitzen und ESD für jeden Kanal in einem Gigabit-Ethernet-System besteht in der Regel aus einem isolierenden Übertrager, einer Gleichtaktdrossel und einem Bob-Smith-Abschluss. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Vergleich zwischen diskretem und integriertem GbE-Schutz

Es bieten sich drei Standardoptionen für die Implementierung eines GbE-Schutzes an. Die erste Option besteht darin, einen Übertrager, eine Gleichtaktdrossel, einen Bob-Smith-Abschluss und andere Erdungskomponenten auszuwählen und die Schaltung selbst zu entwerfen. Die Vorteile liegen darin, dass der Schutz durch die Wahl hochwertiger Komponenten maximiert werden kann, bei diesen Komponenten im Vergleich zu anderen Optionen Geld gespart werden kann und Sie das Vergnügen haben, ein originelles Design zu entwerfen. Der Nachteil ist, dass der Entwurfsprozess kompliziert ist und viel Zeit in Anspruch nimmt und dass die einzelnen Komponenten mehr Platz benötigen als integrierte Lösungen.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, ein Modul zu wählen, das den Übertrager und die Gleichtaktdrossel in einer einzigen Komponente integriert. Das Modul kann mehrere Übertrager und Gleichtaktdrosseln in einem Bauteil integrieren, um mehrere Kanäle unterzubringen. Die Vorteile liegen in der Platzersparnis und einem einfacheren Entwurfszyklus, auch wenn Sie möglicherweise noch den Bob-Smith-Abschluss und andere Erdungskomponenten einbeziehen müssen.

Würth Elektronik bietet eine Reihe solcher Module in seiner Produktlinie WE-LAN an. Betrachten Sie die oberflächenmontierbare (SMD) WE-LAN-AQ-Komponente 749020310 für 10/100/1000 Base-T. Dieses Bauteil schützt vier Kanäle und hat eine Induktivität von 350 Mikrohenries (µH), ein differentielles Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von -30 Dezibel (dB) über einen Frequenzbereich von 60 bis 100 Megahertz (MHz) und verträgt eine Isolationsprüfspannung von 1500 Volt (effektiv) für eine Minute.

Option drei ist die Wahl eines RJ45-Steckers mit integriertem Übertrager und integrierter Gleichtaktdrossel. Dies ist die kompakteste Ausführung. Der Nachteil ist die mangelnde Flexibilität der GbE-Frontend-Komponenten. Ein Beispiel für einen solchen RJ45-Steckverbinder ist der WE-RJ45LAN-Übertrager 7499611420 für 10/100/1000/10G Base-T von Würth Elektronik, der vier geschützte Kanäle, einschließlich Übertragern, Gleichtaktdrosseln und sogar 75Ω-Abschlusswiderstände, integriert. Der Steckverbinder hat eine Induktivität von 120 µH, ein differentielles CMRR von -28 dB über einen Frequenzbereich von 1 bis 100 MHz und verträgt eine Isolationsprüfspannung von 1500 Volt (effektiv) für eine Minute (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der 7499611420 von Würth Elektronik integriert vier Kanäle mit Übertragern, Gleichtaktdrosseln und Abschlusswiderständen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die Platzersparnis durch die Verwendung des RJ45-Steckverbinders mit integriertem Schutz ist beeindruckend und macht die Komponente für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot nützlich (Abbildung 3).

Abbildung 3: Im Vergleich zu separaten Komponenten (a) wird durch die Integration des GbE-Schutzes in den RJ45-Steckverbinder (b) das Schutzmodul überflüssig und es wird Platz auf der Leiterplatte gespart. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Testen der elektromagnetischen Verträglichkeit

Man könnte sich fragen, ob das enge Packen der Schaltkreise in den RJ45-Stecker den Schutz der Schaltung untergräbt. Die Antwort findet sich in einem ausführlichen Anwendungshinweis (ANP116) mit dem Titel „Gigabit-Ethernet-Schnittstelle aus EMV-Sicht“, in der Würth Elektronik die in Abbildung 3 (a) und (b) gezeigten Referenzdesigns testet.

Ein wichtiger Punkt ist der Einfluss, den die Ethernet-Kabel auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des GbE-Systems haben können: Es hat sich herausgestellt, dass der Kabeltyp keinen signifikanten Einfluss auf das EMV-Verhalten hat, aber ungeschirmte Kabel weisen (vielleicht nicht überraschend) höhere Störaussendungen und geringere Störfestigkeitswerte (bis zu 20 dB niedriger) auf als geschirmte Ausführungen.

So viel zu den Kabeln; was ist mit den Frontend-Baugruppen? Im Anwendungshinweis kommt Würth Elektronik zu dem Schluss, dass sich die beiden Referenzdesigns in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) unterscheiden, vor allem in Bezug auf ihre Toleranz gegenüber Hochspannungs-Bursts.

Diese Bursts entstehen, wenn beim Schalten von Induktionskreisen Funken entstehen. Die Burst-Interferenz koppelt stark in die Ethernet-Leiterstruktur ein. Das diskrete Ethernet-Schnittstellendesign (Modul) wird empfohlen, wenn in EMV-Umgebungen mit hohen Burst-Pegeln eine verbesserte Performance erforderlich ist.

Abgesehen von diesem Unterschied in der EMV bei Bursts ist das EMV-Verhalten der beiden Typen vergleichbar, und beide Designs übertreffen die Zertifizierungsgrenzwerte der US Federal Communications Commission (FCC) der Klasse B für Haushaltsgeräte in einem Frequenzbereich von 1 Gigahertz (GHz) durchweg um mindestens 10 dB (Abbildung 4).

Abbildung 4: Vergleich der diskreten (Modul) und integrierten (RJ45-Stecker) EMV-Performance (gestrahlte Störaussendung) mit den FCC-Zertifizierungsgrenzwerten der Klasse B für Haushaltsgeräte. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Abbildung 4 zeigt das ungünstigste Szenario mit den ungeschirmten Kabeln in horizontaler Antennenpolarisation. Abgeschirmte Kabel reduzieren die Emissionen weiter.

Experimentieren mit Übertrageroptionen mit Hilfe von Entwicklungskits

Da der Schutz der Stromkreise für GbE-Installationen obligatorisch ist, wurden die Komponenten im Laufe der Jahre verfeinert, und das Schaltungsdesign ist ausgereift. Referenzdesigns und diskrete Komponenten ermöglichen es, eigene Implementierung zu erstellen, aber viele kommerzielle Optionen bieten integrierte Lösungen.

Würth Elektronik bietet ein praktisches Entwicklungskit an, das 749945. Das Kit enthält viele Beispiele für WE-RJ45-LAN-Übertrager, mit denen Sie experimentieren können.

Fazit

Beliebte Optionen für den Schutz von GbE-Schaltkreisen sind Module, die den Schutzschaltkreis integrieren und zwischen dem RJ45-Stecker und dem GbE-PHY angeordnet sind, oder RJ45-Stecker, die auf das Modul verzichten, indem sie den Schutzschaltkreis in ihrem Gehäuse unterbringen. Die Wahl ist eine Abwägung zwischen Platzbedarf und Flexibilität des Frontend-Designs, wobei beide einen Schutz innerhalb der Zertifizierungsgrenzen bieten.