Comment protéger les réseaux Ethernet contre les événements de surtension

Alors qu'Ethernet devient le pilier des communications industrielles, la vulnérabilité de son infrastructure face aux événements de surtension, tels que la foudre, pose un défi crucial. De tels incidents peuvent provoquer des boucles de masse et des tensions couplées magnétiquement, susceptibles de paralyser les systèmes technologiques opérationnels.

Pour maintenir l'intégrité et les fonctionnalités des systèmes et des dispositifs connectés à Ethernet, les développeurs ont besoin d'une solution robuste pour protéger les composants électroniques sensibles contre les transferts d'énergie destructeurs.

Cet article décrit brièvement comment les surtensions affectent les systèmes électroniques. Il présente ensuite des dispositifs de protection d'Analog Devices et montre comment les utiliser pour atténuer les événements de surtension.

Comment les événements de surtension affectent les systèmes électroniques

Les événements de surtension peuvent survenir en raison de plusieurs facteurs, les plus dramatiques et destructeurs étant la foudre. Même à plusieurs kilomètres de distance, un éclair peut provoquer des boucles de masse et des tensions couplées magnétiquement dans les systèmes électroniques. Cette surtension transitoire peut endommager les composants électroniques sensibles et perturber les opérations critiques.

L'impact des événements de surtension sur les systèmes électroniques s'étend au-delà d'un dysfonctionnement temporaire. Ces transferts haute énergie peuvent causer des dommages irréversibles aux circuits, entraînant des réparations coûteuses et des temps d'arrêt du système. Dans les réseaux Ethernet, les événements de surtension peuvent endommager le matériel réseau et les dispositifs connectés, et entraîner des pertes de données, une réduction des performances du système, voire une panne complète du système.

La vulnérabilité de l'infrastructure Ethernet aux événements de surtension résulte de sa portée étendue et de sa nature interconnectée. Lorsque les câbles Ethernet parcourent de longues distances, ils captent les perturbations électromagnétiques de l'environnement, y compris les tensions et les courants induits par un événement de surtension, atteignant des dispositifs apparemment isolés du point de surtension (Figure 1a).

Figure 1 : Une installation Ethernet non protégée est sensible aux événements de surtension traversant des composants électroniques sensibles (a), mais l'utilisation de méthodes de protection contre les surtensions telles que des plans de garde peut permettre un chemin sûr pour les courants de surtension (b). (Source de l'image : Analog Devices)

Les développeurs doivent mettre en œuvre des mesures de protection robustes contre les surtensions pour protéger les composants électroniques sensibles de ces transferts haute énergie, afin de garantir l'intégrité et les fonctionnalités du système. Cela implique de protéger les points critiques du réseau avec des dispositifs de protection contre les surtensions capables de détourner l'énergie excédentaire des composants sensibles, soit en la mettant à la terre, soit en la dissipant en toute sécurité à l'aide de techniques telles que les plans de garde (Figure 1b).

Pour aider à intégrer une protection contre les surtensions dans leurs dispositifs connectés, les développeurs s'appuient sur des méthodes de conception avancées telles que le blocage de la tension à l'aide de suppresseur de tension transitoire (TVS), d'approches d'isolement, de filtres haute fréquence et d'autres techniques. Dans le même temps, une protection efficace contre les surtensions exige de combiner ces techniques avec des composants spécialisés, notamment des dispositifs à couche physique (PHY) Ethernet, des contrôleurs et des équipements d'alimentation conçus pour gérer les contraintes induites par les événements de surtension.

Un ensemble de solutions d'Analog Devices est spécifiquement conçu pour prendre en charge les méthodes de conception de la protection contre les surtensions, tout en répondant aux exigences spécialisées en matière de fonctionnalités robustes dans les dispositifs connectés via Ethernet.

Intégrer une protection contre les surtensions dans les réseaux Ethernet

Pour les entreprises qui veulent passer des communications traditionnelles à une connectivité basée sur Ethernet, l'émergence de la norme Ethernet PHY 10BASE-T1L fournit la liaison critique nécessaire pour connecter des périphériques dans des emplacements éloignés et dangereux de l'usine avec la norme IEEE 802.3cg pour un câble Single Pair Ethernet (SPE) de 10 mégabits par seconde (Mbps). Conçu pour prendre en charge ces normes, l'ADIN1100 d'Analog Devices est un émetteur-récepteur à un port basse consommation qui prend en charge la connectivité Ethernet à des distances atteignant 1700 mètres (m). Ne consommant que 39 milliwatts (mW), l'ADIN1100 combine une architecture fonctionnelle complète avec une interface matérielle conçue pour simplifier la connexion d'un processeur hôte à un réseau Ethernet (Figure 2).

Figure 2 : L'ADIN1100 fournit une couche PHY 10BASE-T1L complète, simplifiant la transition des systèmes industriels vers les réseaux Ethernet. (Source de l'image : Analog Devices)

La conception de protection contre les surtensions de l'ADIN1100 avec surveillance de l'alimentation intégrée et circuits de réinitialisation à la mise sous tension (POR) contribue à la robustesse du système, garantissant un fonctionnement stable même en conditions instables. Avec la carte d'évaluation EVAL-ADIN1100-EBZ d'Analog Devices, les développeurs peuvent évaluer rapidement les performances de l'ADIN1100 et explorer des mécanismes de protection contre les surtensions supplémentaires.

Outre les indicateurs d'état LED, les boutons et les connexions d'interface, la carte d'évaluation fournit des points de test, une petite zone de prototypage pour examiner d'autres approches de connexion de câble, ainsi que des transformateurs d'isolement ou des inductances de couplage de puissance en option (Figure 3).

Figure 3 : L'EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 simplifie l'évaluation des performances de l'ADIN1100 et l'expérimentation des mécanismes de conception de protection contre les surtensions. (Source de l'image : Analog Devices)

Contrôleur de périphérique alimenté par Industrial Ethernet

Conçu pour les applications SPE industrielles, le LTC9111 d'Analog Devices est un contrôleur de périphérique alimenté par Single-Pair Power over Ethernet (SPoE), conforme à la norme IEEE 802.3cg, offrant une large plage de fonctionnement de 2,3 volts (V) à 60 V. Le dispositif prend en charge le protocole SCCP (Serial Communication Classification Protocol) dans les systèmes dans lesquels le périphérique alimenté (PD) et l'équipement émetteur d'alimentation (PSE) partagent des informations sur les classes de puissance requises.

Grâce à sa prise en charge de la norme IEEE 802.3cg, le LTC9111 est conçu pour réduire l'effet des événements de surtension, mais les développeurs utilisant le dispositif dans des applications sensibles aux surtensions peuvent inclure un blocage de tension telle qu'une diode TVS. Un dispositif TVS combiné à l'ADIN1100 constitue une solution efficace pour la mise en œuvre de solutions SPoE pouvant fonctionner sur de longues distances (Figure 4).

Figure 4 : Combiné avec l'ADIN1100, le LTC9111 simplifie les conceptions SPoE, ne nécessitant que quelques composants supplémentaires pour compléter le côté périphérique alimenté d'une connexion Industrial Ethernet. (Source de l'image : Analog Devices)

Contrôleur PSE SPoE

Pour le côté alimentation d'une application conforme à la norme 802.3cg, le LTC4296-1 est un contrôleur PSE SPoE à cinq ports conçu pour l'interopérabilité avec les périphériques alimentés 802.3cg dans les systèmes 24 V ou 54 V. Doté d'une plage de tensions d'entrée de 6 V à 60 V, le dispositif prend en charge un ensemble complet de capacités de protection, notamment l'utilisation de MOSFET à canal N externes, une limite de courant analogique (ACL) de repli, des disjoncteurs électroniques de source et de retour réglables, et bien plus encore. Pour une protection supplémentaire contre les surtensions, les développeurs peuvent ajouter une diode TVS, telle que la diode SMAJ58A de Littelfuse pour atténuer les pics d'alimentation (Figure 5).

Figure 5 : Complétant le contrôleur PD LTC9111, le contrôleur SPoE à cinq ports LTC4296-1 simplifie la conception du côté PSE d'une connexion Industrial Ethernet. (Source de l'image : Analog Devices)

Grâce au kit d'évaluation EVAL-SPoE-KIT-AZ d'Analog Devices, les développeurs peuvent rapidement acquérir une expérience avec le contrôleur PSE. Le kit permet aux concepteurs d'étudier une application SPoE conforme IEEE 802.3 complète. Il est fourni avec des cartes mères basées sur le LTC4296-1 et le LTC9111, chacune hébergeant des blindages enfichables basés sur l'ADIN1100 se connectant via un câble SPE (Figure 6).

Figure 6 : Le kit d'évaluation EVAL-SPoE-KIT-AZ fournit un ensemble complet de cartes matérielles et de câbles pour évaluer une application SPoE basée sur les contrôleurs PSE LTC4296-1 et PD LTC9111 et un périphérique 10BASE-T1L Ethernet PHY ADIN1100. (Source de l'image : Analog Devices)

Bien que le contrôleur PSE LTC4296-1, le contrôleur PD LTC9111 et le dispositif 10BASE-T1L Ethernet PHY ADIN1100 permettent la mise en œuvre rapide de solutions SPoE conformes IEEE 802.3cg, il existe une autre solution d'Analog Devices répondant au besoin de contrôleurs à blocage actif.

Contrôleur PWM à blocage actif

Conçus pour améliorer le rendement des sources d'alimentation dans les applications PoE PD, les dispositifs série MAX5974 d'Analog Devices sont des contrôleurs à modulation de largeur d'impulsion (PWM) en mode courant, à spectre étalé et blocage actif. Les dispositifs série MAX5974 sont proposés en plusieurs variantes. Par exemple, le MAX5974D est conçu pour prendre en charge la régulation de sortie en utilisant la rétroaction traditionnelle du photocoupleur. En revanche, le MAX5974B est conçu pour prendre en charge la régulation de sortie sans photocoupleur, tout en permettant à la sortie de l'inductance couplée de dériver l'entrée d'alimentation (IN) du convertisseur (Figure 7).

Figure 7 : Le MAX5974B d'Analog Devices simplifie la conception du convertisseur à blocage actif en éliminant les photocoupleurs dans la rétroaction et en dérivant la tension d'entrée (IN) du convertisseur de la sortie de l'inductance couplée. (Source de l'image : Analog Devices)

Le blocage de rapport cyclique maximum par anticipation intégré aux dispositifs MAX5974 garantit que la tension de blocage maximum reste indépendante de la tension de ligne pendant les conditions transitoires. La capacité de limitation de courant cycle par cycle du dispositif contribue à mieux protéger les composants électroniques sensibles. Lorsque le dispositif détecte que la limite de courant de crête a été atteinte et maintenue au-delà d'une durée seuil, il désactive temporairement la sortie d'attaque de grille du commutateur principal (NDRV) et la sortie d'attaque de grille du commutateur à blocage actif (AUXDRV), permettant ainsi au courant de surcharge de se dissiper avant de tenter un démarrage progressif.

Appliquer une approche globale à la protection contre les surtensions

Ces produits permettent une approche étendue de la protection contre les surtensions dans les réseaux Ethernet. L'ADIN1100 garantit un fonctionnement longue portée et basse consommation, servant de base solide pour le réseau. Les contrôleurs LTC9111 et LTC4296 fonctionnent en tandem pour gérer la distribution de puissance et offrir une protection contre les surtensions aux niveaux PD et PSE. Le MAX5974 complète cette configuration en garantissant une conversion de puissance efficace et en réduisant le risque de gaspillage d'énergie durant les événements de surtension.

En implémentant ces produits de manière coordonnée, les développeurs peuvent considérablement améliorer les capacités de protection contre les surtensions des réseaux Ethernet. Cette approche intégrée protège le matériel et garantit une communication ininterrompue et une continuité opérationnelle.

Conclusion

Ethernet offre des avantages significatifs pour les communications industrielles, mais les grandes longueurs de câbles rendent les composants électroniques sensibles vulnérables aux événements de surtension. Grâce à un ensemble de dispositifs et de ressources de développement d'Analog Devices, les développeurs peuvent rapidement mettre en œuvre une connectivité Ethernet capable de résister aux effets des événements de surtension.