ESD-сборки для защиты промышленного и уличного Ethernet

1 июля 2016

телекоммуникацииответственные примененияLittelfuseстатьяESD

Наиболее простое решение для защиты Ethernet-приложений от различных негативных воздействий, таких как статические разряды, молнии и мощные помехи, предлагает компания Littelfuse. Оно заключается в использовании специализированных защитных сборок.

Ethernet – наиболее распространенный в мире сетевой интерфейс. Его используют для создания домашних и офисных локальных сетей, для подключения к Интернету, для управления оборудованием в промышленности и так далее. При проектировании устройств Ethernet необходимо уделить большое внимание проблемам электромагнитной совместимости, то есть обеспечению устойчивости к воздействию статических разрядов, мощных помех и даже молний.

Уровень защиты выбирается, исходя из требований конкретного приложения. Например, для домашних приложений с малыми длинами соединительных кабелей минимально необходимой является защита от статики. При этом защита от молний вряд ли понадобится. Зато для промышленного и уличного Ethernet с большой протяженностью линий молнии и мощные помехи – угрозы вполне реальные.

Требования к уровню защиты электронных устройств описаны в специализированных стандартах по электромагнитной совместимости. В России применяется группа стандартов ГОСТ Р 51317.4 (МЭК 61000-4).

Компания Littelfuse предлагает полупроводниковые сборки, которые обеспечивают надежную защиту Ethernet -приложений при действии всех перечисленных выше негативных факторов:

  • ESD-сборки с низкой собственной емкостью для защиты от статики;
  • специализированные сборки для защиты от мощных помех и молний.

Ethernet: особенности физической реализации

Если рассматривать модель OSI, то стандарты Ethernet описывают физический и канальный уровни реализации сетевого интерфейса. С точки зрения организации защиты нас в первую очередь интересует именно физический уровень: физическая среда передачи данных, тип и частота сигналов.

Существует четыре стандарта проводного Ethernet (таблица 1): 10Base-T, 100Base-T, 1000Base-T и 10GBase-T.

Таблица 1. Особенности физической реализации Ethernet

Характеристика Версия Ethernet
10Base-T 100Base-T 1000Base-T 10GBase-T
Скорость передачи, Мбит/с 10 100 1000 10 000
Тип сигнала Дифференциальный
Число дифференциальных пар 2 2 4 4
Кабель CAT3 CAT5 CAT5 CAT6 или CAT6A/7

Каждый из этих стандартов характеризуется высокой скоростью передачи, использованием дифференциальных сигналов и витых пар. Из этого можно сделать некоторые выводы по требованиям к защитным компонентам: они должны обладать минимальной собственной емкостью и низким током утечек.

Чаще всего для защиты дифференциальных линий применяют сложные многоканальные сборки. Они объединяют в одном корпусе низкоемкостные шунтовые диоды и TVS, поглощающие мощные кондуктивные помехи, появляющиеся на линиях питания.

Стоит отметить, что различные серии сборок могут иметь одинаковую структуру, но различный рейтинг защиты. Поэтому выбор сборки производится только после того, как будут сформированы требования по необходимому уровню защиты. В России общие требования по электромагнитной совместимости устанавливает группа стандартов ГОСТ Р 51317.4 (МЭК 61000-4).

Электромагнитная совместимость: обзор нормативных документов

Стандарты ГОСТ Р 51317.4 (МЭК 61000-4) устанавливают типы и методы испытаний технических средств (ТС) на устойчивость к помехам и разрядам. При этом документы являются общими, то есть не относятся к конкретному типу устройств.

Можно выделить несколько типов негативных электрических воздействий: статические разряды, наносекундные импульсные помехи, мощные микросекундные импульсы.

Статические разряды, ESD – чрезвычайно распространенное явление. Стоит пройти по линолеуму или другому синтетическому непроводящему покрытию, и после этого дотронуться до металлической заземленной поверхности, как тут же получаешь разряд, и на своем горьком опыте ощущаешь, что такое статика. Эти разряды могут иметь различную мощность, и очень часто их энергии хватает, чтобы вывести чувствительные электронные приборы из строя. Нормы устойчивости к статике описаны в ГОСТ Р 51317.4.2.

ГОСТ Р 51317.4.2 (МЭК 61000-4-2) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний» устанавливает требования и методы испытания технических средств на устойчивость к электростатическим разрядам как при прямом, так и при непрямом воздействии оператора.

Стандарт является общим, то есть не устанавливает требования к какому-либо конкретному оборудованию, поэтому каждый производитель самостоятельно выбирает степень жесткости испытаний.

Предполагается два типа испытаний: контактный разряд с напряжениями ±2; ±4; ±6; ±8 кВ и воздушный разряд ±2, ±4, ±8, ±15 кВ (таблица 2).

Таблица 2. Степени жесткости испытаний в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.2 (МЭК 61000-4-2)

Контактный разряд Воздушный разряд
Степень жесткости Испытательное напряжение, кВ Степень жесткости Испытательное напряжение, кВ
1 ±2 1 ±2
2 ±4 2 ±4
3 ±6 3 ±8
4 ±8 4 ±15
Х Специальное Х Специальное

Быстрые наносекундные импульсные помехи (НИП), FET – еще один вид негативных воздействий, которые могут вывести из строя электронные устройства. Нормы защиты от НИП описаны в ГОСТ Р 51317.4.4.

ГОСТ Р 51317.4.4 (МЭК 61000-4-4) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний» устанавливает четыре стандартных степени жесткости испытаний с тестовыми наносекундными импульсами различной частоты и напряжения: ±0,2; ±0,5; ±1; ±2 и ±4 кВ (таблица 3).

Таблица 3. Степени жесткости испытаний в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.4 (МЭК 61000-4-4)

Выходное испытательное напряжение ИГ в режиме холостого хода (+ 10%) и частота повторения импульсов (+ 20%)
Степень жесткости
испытаний
Порт электропитания, порт заземления Порт сигналов ввода/вывода
Амплитуда
импульсов, кВ
Частота
повторения, кГц
Амплитуда
импульсов, кВ
Частота
повторения, кГц
1 ±0,5 5 ±0,25 5
2 ±1 5 ±0,5 5
3 ±2 5 ±1 5
4 ±4 2,5 ±2 5
Х Специальная Специальная Специальная Специальная

Мощные микросекундные импульсные помехи большой энергии (МИП) возникают в результате различных коммутационных процессов и при разрядах молний. Наибольшая вероятность появления МИП возможна в условиях большой протяженности линий связи и при расположении кабелей на улице. При разработке устройств для уличного и промышленного Ethernet необходимо в обязательном порядке предусмотреть защиту от этого типа помех. Устойчивость к ним определяется в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.5.

ГОСТ Р 51317.4.5 (МЭК 61000-4-5) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний» – универсальный стандарт, применяемый ко всем типам электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий и оборудованию. Стандарт устанавливает четыре степени жесткости воздействия с различными напряжениями: ±0,5; ±1; ±2 и ±4 кВ (таблица 4).

Таблица 4. Степени жесткости испытаний в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.5 (МЭК 61000-4-5)

Степень жесткости Значение импульсов напряжения на ненагруженном выходе испытательного генератора, кВ ±10%
1 ±0,5
2 ±1,0
3 ±2,0
4 ±4,0
Х Специальное

Для того чтобы определиться с необходимой степенью жесткости испытаний, необходимо учесть класс условий эксплуатации (таблица 5). Наиболее жесткие условия предъявляются к устройствам класса 5, подразумевающим уличное расположение и большую длину коммуникационных линий. Для них тестовое напряжение составляет ±4 кВ. Все это относится и к Ethernet-приложениям (таблица 6).

Таблица 5. Классы эксплуатации оборудования согласно ГОСТ Р 51317.4.5 (МЭК 61000-4-5)

Класс условий эксплуатации
оборудования
Описание
1 Частично защищенная электромагнитная обстановка
2 Электромагнитная обстановка при разносе силовых и сигнальных кабелей
3 Электромагнитная обстановка при параллельной прокладке силовых и сигнальных кабелей
4 Электромагнитная обстановка при прокладке соединительных кабелей вне помещений вблизи силовых кабелей и использовании многопроводных кабелей, содержащих линии, подключенные к цепям электронного или электротехнического оборудования
5 Электромагнитная обстановка при подключении ТС к линиям связи и воздушным силовым линиям малонаселенных районов
X Особые условия эксплуатации, устанавливаемые в стандартах на ТС конкретного вида и технической документации на ТС

Если изучить все требования ГОСТов, то можно установить уровень необходимой устойчивости к воздействию каждого типа помех. После этого необходимо определиться с типом защитных компонентов. Компания Littelfuse предлагает защитные сборки, которые, с одной стороны, способны работать со сверхбыстрым стандартом Ethernet, а с другой – обеспечивают выполнение требований стандартов.

Таблица 6. Степени жесткости испытаний для Ethernet-приложений в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.5 (МЭК 61000-4-5)

Класс условий эксплуатации оборудования Степень жесткости испытаний
PoE Неэкранированный Ethernet Экранированный Ethernet
схема «провод-провод», кВ схема «провод-земля», кВ схема «провод-провод», кВ схема «провод-земля», кВ схема «провод-провод», кВ схема «провод-земля», кВ
0 не исп. не исп. не исп. не исп. не исп. не исп.
1 не исп. не исп. не исп. ±0,5 не исп. не исп.
2 не исп. не исп. не исп. ±1 не исп. ±0,5
3 ±1 ±2 не исп. ±2 не исп. ±2
4 ±2 ±4 не исп. ±2 не исп. ±4
5 ±2 ±4 не исп. ±4 не исп. ±4

ESD-сборки Littelfuse для защиты промышленного и уличного Ethernet

Компания Littelfuse выпускает три группы полупроводниковых защитных сборок: для низкоскоростных интерфейсов и низковольтных цепей, для высокоскоростных интерфейсов и сборки повышенной мощности для защиты интерфейсов, применяемых на открытом воздухе.

Для защиты уличного и промышленного Ethernet идеально подходит третья группа, которая объединяет почти три десятка серий (таблица 7):

  • с рабочим напряжениями 2,8/3,3/5,0/6,0 В;
  • с низкоемкостными шунтовыми диодами и TVS по питанию;
  • с минимальной собственной емкостью от 1,3 пФ (например, SP4022/3/4);
  • с минимальным током утечки от 0,5 мкА;
  • с различным числом каналов;
  • с рейтингом защиты ±30 кВ по МЭК 61000-4-2;
  • с миниатюрными корпусными исполнениями.

Таблица 7. Защитные ESD-сборки Littelfuse для защиты от мощных помех

Наиме-нование Число каналов Рабочее напряже-ние, В Емкость, пФ Ток утечки, мкА Рейтинг (Contact Discharge, IEC61000-4-2), кВ Рейтинг (FET, IEC61000-4-4), А Рейтинг (Lightning Protection, IEC61000-4-5), А Напряжение ограничения, 8/20 µs, В Максималь-ный ток (8/20 µs), А Пиковая поглощае-мая мощность, Вт Корпус
LC03-3.3 2 3,3 9 1 ±30 40 150 17,0 (при 100 А) 150 3300 SOIC
SLVU2.8 1 2,8 2 1 ±30 40 40 12,5 (при 24 А) 40 600 SOT23
SLVU2.8-4 4 2,8 2 1 ±30 40 40 15 (при 24 А) 40 600 SOIC
SLVU2.8-8 4 2,8 2,6 0,1 ±30 40 30 17 (при 24 А) 30 750 SOIC
SLVU2.8-4BTG-S 4 2,8 2 1 ±30 40 40 18 (при 24 А) 40 600 SOIC
SP03-3.3 2 3,3 16 1 ±30 100 15,0 (при 100 А) 150 3300 SOIC
SP03-6 2 6 16 25 ±30 100 20,0 (при 100 А) 150 2800 SOIC
SP1050 4 58 35 1 ±30 24 96,0 (при 24 А) 24 2700 SP1050
SP2504N 4 2,5 3,5 1 ±30 40 20 11,5 (при 20 А) 20 300 µDFN-10
SP2502L 2 3,3 5 1 ±30 75 30,0 (при 75 А) 75 2100 SOIC
SP2574NUTG 8 2,5 3,8 0,5 ±30 40 40 12,0 (при 25 А) 40 1000 µDFN-10
SP3051 4 6 3,8 0,5 ±30 40 20 17,0 (при 20 А) 20 400 SOT23-6
SP3304N 4 3,3 3,5 1 ±30 40 20 11,5 (при 20 А) 20 300 µDFN-10
SP3304N 2 3,3 1,3 0,05 ±30 40 15 13,0 (при 10 А) 15 250 µDFN-10
SP4020 1 3,3 2,5 0,5 ±30 40 30 21,8 (при 24 А) 30 750 SOD323
SP4021 1 5 2,5 0,5 ±30 40 25 19,6 (при 24 А) 25 600 SOD323
SP4022 1 12 1,3 0,1 ±30 40 15 35,0 (при 15 А) 15 500 SOD323
SP4023 1 15 1,3 0,1 ±30 40 12 40,0 (при 12 А) 12 450 SOD323
SP4024 1 24 1,3 0,5 ±30 40 7 50,0 (при 7 А) 7 350 SOD323
SP4042 2 3,3 11 0,1 ±30 40 120 (2/10µs) 25,0 (при 100 А) 95 2500 µDFN-10
SP4044 4 2,8 1,5 1 ±30 40 24 6,0 (при 2 А) 24 500 MSOP-10
SP4045 4 3,3 1,5 1 ±30 40 24 7,0 (при 2 А) 24 600 MSOP-10
SP4065 8 3,3 4,4 1 ±30 40 20 13,5 (при 20 А) 20 300 MSOP
SR05 2 5 6 5 ±30 80 25 18,0 (при 25 А) 25 450 SOT143
SR70 2 70 2 5 ±30 80 40 12,0 (при 30 А) 40 SOT143-4
SRDA05 4 3,3 4 1 ±30 50 35 17,7 (при 30 А) 35 600 SOIC-8
SRDA05 4 5 8 10 ±30 50 30 21,0 (при 25 А) 30 600 SOIC-8
SRV05 4 6 2 0,5 ±20 40 10 15,0 (при 8 А) 10 150 SOT23-6
SP3002 4 6 0,85 0,5 ±12 40 4,5 13,0 (при 2 А) 4,5 SC70, SOT23, µDFN-6

Несмотря на одинаковый рейтинг защиты ±30 кВ по МЭК 61000-4-2, сборки отличаются числом каналов, мощностью, структурой и рейтингом защиты по МЭК 61000-4-4 и МЭК 61000-4-5.

При таком многообразии разработчик всегда сможет подобрать оптимальную сборку, исходя из требований ГОСТов (МЭК).

Примеры организации защиты Ethernet-приложений для различных условий эксплуатации

Тип защитной сборки выбирается исходя из конкретных условий эксплуатации. Рассмотрим несколько стандартных примеров реализаций Ethernet.

Защита бытовых сетей Ethernet с длиной кабеля менее 2 м. Это самый простой случай. Очевидно, что в домашних условиях длина соединительных кабелей мала, а возникновение мощных коммутаций и молний маловероятно. Однако не стоит забывать о статике.

Для таких случаев компания Littelfuse рекомендует использовать защитные сборки, объединяющие в себе низкоемкостные шунтирующие диоды и TVS-диод по питанию (рисунок 1), такие как:

  • SP3002-04JTG – четырехканальная сборка, с уровнем защиты ±12/±15 кВ (контакт/воздух) и минимальной емкостью всего 0,85 пФ;
  • SRV05-4HTG – четырехканальная сборка, с уровнем защиты ±20/±30 кВ (контакт/воздух) и минимальной емкостью 2 пФ.

Рис. 1. Внешний вид и структура ESD-сборок серий SRV05 и SP3002

Рис. 1. Внешний вид и структура ESD-сборок серий SRV05 и SP3002

В качестве примера рассмотрим защиту домашнего Ethernet с помощью сборок SP3002-04JTG и SRV05-4HTG (рисунок 2). Такая схема имеет рейтинг защиты ±20 кВ (SRV05-4HTG) или ±12 кВ (SP3002-04JTG) при пиковой мощности помех до 150 Вт.

Рис. 2. Защита Ethernet от маломощных помех внутри помещений

Рис. 2. Защита Ethernet от маломощных помех внутри помещений

Защита внутренних промышленных и офисных сетей Ethernet большой протяженности. В отличие от предыдущего случая, здесь недостаточно иметь защиту только от статики. При большой длине кабелей связи, вне зависимости от того, промышленное это предприятие или офисное здание, высока вероятность возникновения мощных помех от различного рода коммутаций.

Для данного случая можно применить комплексный подход и разместить защитные сборки до гальванической развязки (трансформатора) и непосредственно перед микросхемой приемопередатчика. Для этих целей, например, подойдут следующие сборки (рисунок 3):

  • LC03-3.3BTG – двухканальная сборка 3,3 В с малой емкостью 9 пФ и пиковой мощностью 3,3 кВт, имеющая сверхвысокий ток ограничения до 150 А;
  • SP3051-04HTG – четырехканальная сборка 6,0 В с минимальным током утечки 0,5 мкА и малой емкостью 3,8 пФ. Несмотря на миниатюрное исполнение SOT23-6, сборка имеет высокую пиковую мощность 400 Вт.

Рис. 3. Внешний вид и структура ESD-сборок серий LC03 и SP3051

Рис. 3. Внешний вид и структура ESD-сборок серий LC03 и SP3051

Для защиты 10/100 Ethernet потребуются две сборки: LC03-3.3BTG и SP3051-04HTG (рисунок 4). В данной схеме основная мощность при возникновении помех поглощается с помощью LC03-3.3BTG, оставшуюся часть «подчищает» SP3051-04HTG. Стоит обратить внимание, что выводы питания LC03-3.3BTG могут быть не подключены, если требуется максимально высокий уровень изоляции.

Рис. 4. Защита внутренних линий Ethernet большой протяженности

Рис. 4. Защита внутренних линий Ethernet большой протяженности

Представленная схема защитит Ethernet-приложение от МИП:

  • 100 А импульс 2/10 мкс – для двух дифференциальных пар;
  • 36,4 А импульс 1,2/50…8/20 мкс – для четырех дифференциальных пар.

Защита промышленных и уличных сетей Ethernet большой протяженности – наиболее сложный с точки зрения обеспечения безопасности случай. Кроме статики и быстрых помех, здесь возможно возникновение самых мощных МИП, в том числе от молний.

Компания Littelfuse рекомендует для таких случаев использовать мощные сборки, например, SLVU2.8.

SLVU2.8-4BTG – четырехканальная сборка 2,8 В с низкой емкостью 2 пФ и пиковой мощностью 400 Вт. Ее главное отличие заключается в структуре, которая содержит выпрямительные диоды и TVS-диоды (рисунок 5).

Рис. 5. Внешний вид и структура ESD-сборок серии SLVU2.8-4

Рис. 5. Внешний вид и структура ESD-сборок серии SLVU2.8-4

Для защиты 10/100 Ethernet потребуется одна сборка SLVU2.8-4BTG (рисунок 6). Располагать ее нужно после трансформатора. При этом сам трансформатор оказывается первым рубежом обороны. Защита от перегрузок по току осуществляется предохранителями, которые располагаются до трансформатора. Стоит отметить, что SLVU2.8-4BTG обеспечивает дифференциальную защиту между линиями.

Рис. 6. Защита линий Ethernet от мощных помех

Рис. 6. Защита линий Ethernet от мощных помех

Приведенные схемы дают общее представление о возможностях защиты Ethernet-приложений при различных условиях эксплуатации. Благодаря богатой номенклатуре Littelfuse разработчики без проблем смогут подобрать подходящую защитную сборку для каждого конкретного случая.

Заключение

Ethernet – наиболее популярный коммуникационный интерфейс. Его используют дома и в офисе, в производственных цехах и в уличных приложениях. Для его надежной работы необходимо предпринять соответствующие меры безопасности, в частности – защититься от статики и помех. При этом защитные компоненты должны иметь минимальную емкость и малый ток утечки, чтобы не ухудшать качество передачи данных.

Необходимый уровень защиты от помех определяется в зависимости от особенностей эксплуатации Ethernet. При этом требования по электромагнитной совместимости прописаны в группе стандартов ГОСТ Р 51317.4 (МЭК 61000-4).

Компания Littelfuse предлагает почти три десятка разнообразных миниатюрных сборок, с помощью которых можно защитить устройства, работающие в составе домашних, офисных, промышленных и уличных сетей Ethernet.

Литература

  1. Ethernet Protection Design Guide. 2015, Littelfuse.
  2. TVS Diode Array. Transient Voltage Suppression SPA® Diode. PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2013, Littelfuse.
  3. ESD Protection Products Brochure. 2012, Littelfuse.
  4. ESD Suppression Protection Design Guide. 2009, Littelfuse.
  5. http://www.littelfuse.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее