Como proteger as redes Ethernet contra eventos de surto

À medida que a Ethernet se torna a espinha dorsal das comunicações industriais, a suscetibilidade de sua infraestrutura a eventos de surto, como quedas de raios, representa um desafio crítico. Esses incidentes podem induzir malhas de terra e tensões magneticamente acopladas, o que pode prejudicar os sistemas de tecnologia operacional.

Para manter a integridade e a funcionalidade do sistema dos dispositivos conectados à Ethernet, os desenvolvedores precisam de uma solução robusta para proteger os componentes eletrônicos sensíveis contras as transferências destrutivas de energia.

Este artigo descreve brevemente como os surtos afetam os sistemas eletrônicos. Em seguida, ele apresenta os dispositivos de proteção da Analog Devices e mostra como usá-los para reduzir os eventos de surto.

Como os eventos de surto afetam os sistemas eletrônicos

Os eventos de surto podem ocorrer devido a vários fatores, sendo o raio o mais dramático e destrutivo. Mesmo a vários quilômetros de distância, a queda de um raio pode induzir malhas de terra e tensões magneticamente acopladas em sistemas eletrônicos. Essa sobretensão transitória pode danificar componentes eletrônicos sensíveis e interromper operações críticas.

O impacto dos eventos de surto nos sistemas eletrônicos vai além do mau funcionamento temporário. Essas transferências de alta energia podem causar danos irreversíveis aos circuitos, levando a reparos dispendiosos e paralisação do sistema. Nas redes Ethernet, os surtos podem danificar o hardware de rede e os dispositivos conectados, levando à perda de dados, à redução do desempenho do sistema e até mesmo à falha total do sistema.

A suscetibilidade da infraestrutura Ethernet a eventos de surto decorre de seu amplo alcance e de sua natureza interconectada. Como os cabos Ethernet percorrem longas distâncias, eles captam distúrbios eletromagnéticos do ambiente, incluindo tensões e correntes induzidas de um evento de surto, atingindo dispositivos aparentemente isolados do ponto do surto (Figura 1a).

Figura 1: Uma instalação Ethernet desprotegida é suscetível a eventos de surto que passam por componentes eletrônicos sensíveis (a), mas o uso de métodos de projeto de proteção contra surtos, como camadas protetoras, pode permitir um caminho seguro para as correntes de surto (b). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os desenvolvedores devem implementar medidas robustas de proteção contra surtos para blindar os componentes eletrônicos sensíveis dessas transferências de alta energia, garantindo a integridade e a funcionalidade do sistema. Isso envolve a proteção de pontos críticos da rede com dispositivos de proteção contra surtos capazes de desviar o excesso de energia dos componentes sensíveis, seja aterrando-a ou dissipando-a com segurança usando técnicas como camadas protetoras (Figura 1b).

Para ajudar a criar proteção contra surtos em seus dispositivos conectados, os desenvolvedores contam com métodos avançados de projeto, como limitação de tensão usando um supressor de tensão transiente (TVS), abordagens de isolação, filtragem de alta frequência e outras técnicas. Ao mesmo tempo, a proteção contra surtos bem-sucedida exige a combinação dessas técnicas com componentes especializados, incluindo dispositivos de camada física (PHY) Ethernet, controladores e equipamentos de fornecimento de energia projetados para gerenciar os estresses induzidos por eventos de surtos.

Um conjunto de soluções da Analog Devices foi projetado especificamente para dar suporte a métodos de projeto de proteção contra surtos, ao mesmo tempo em que atende aos requisitos especializados de funcionalidade robusta em dispositivos conectados à Ethernet.

Proteção contra surtos em redes Ethernet

Para as organizações que estão fazendo a transição das comunicações antigas para a conectividade baseada em Ethernet, o surgimento do padrão Ethernet de camada física 10BASE-T1L fornece a ligação crítica necessária para conectar dispositivos de borda em locais remotos e perigosos dentro da fábrica usando o padrão IEEE 802.3cg para cabo Ethernet de par único (SPE) de 10 megabits por segundo (Mbps). Projetado para suportar esses padrões, o ADIN1100 da Analog Devices é um transceptor de porta única e baixo consumo de energia que suporta conectividade Ethernet a distâncias de até 1.700 metros (m). Consumindo apenas 39 miliwatts (mW), o ADIN1100 combina uma arquitetura funcional abrangente com uma interface de hardware projetada para simplificar a conexão de um processador host a uma rede Ethernet (Figura 2).

Figura 2: O ADIN1100 fornece uma PHY 10BASE-T1L completa, simplificando a transição de sistemas industriais para redes Ethernet. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O design de proteção contra surtos do ADIN1100, com monitoramento integrado da fonte de alimentação e circuito de reinicialização ao ligar (POR), contribui para a robustez do sistema, garantindo uma operação estável mesmo em condições voláteis. Com a placa de teste EVAL-ADIN1100-EBZ da Analog Devices, os desenvolvedores podem avaliar rapidamente o desempenho do ADIN1100 e explorar mecanismos adicionais de proteção contra surtos.

Além dos indicadores de status de LED, botões e conexões de interface, a placa de teste oferece pontos de teste, uma pequena área de prototipagem para examinar abordagens alternativas de conexão de cabos e transformadores de isolação ou indutores de acoplamento de energia opcionais (Figura 3).

Figura 3: O EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 simplifica a avaliação do desempenho do ADIN1100 e a experimentação com mecanismos de projeto de proteção contra surtos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Controlador de dispositivo alimentado por Ethernet industrial

Projetado para aplicações SPE industriais, o LTC9111 da Analog Devices é um controlador de dispositivo alimentado por SPoE (alimentação via Ethernet de par único) compatível com IEEE 802.3cg, que apresenta uma ampla faixa operacional de 2,3 a 60 volts. O dispositivo é compatível com o protocolo de classificação de comunicação serial (SCCP) em sistemas em que o dispositivo alimentado (PD) e o equipamento de fornecimento de energia (PSE) compartilham informações sobre as classes de energia necessárias.

Com seu suporte para IEEE 802.3cg, o LTC9111 foi construído para reduzir o efeito de eventos de surto, mas os desenvolvedores que usam o dispositivo em aplicações sensíveis a surtos podem incluir um limitador de tensão, como um diodo TVS. Um TVS combinado com o ADIN1100 oferece uma solução eficaz para a implementação de soluções SPoE que podem operar em distâncias maiores (Figura 4).

Figura 4: Combinado com o ADIN1100, o LTC9111 simplifica os projetos SPoE, exigindo apenas alguns componentes adicionais para completar o lado do dispositivo energizado de uma conexão Ethernet industrial. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Controlador SPoE PSE

Para o lado da fonte de alimentação de uma aplicação compatível com 802.3cg, o LTC4296-1 é um controlador SPoE PSE de cinco portas projetado para interoperabilidade com PDs 802.3cg em sistemas de 24 ou 54 volts. Com uma faixa de tensão de entrada de 6 a 60 volts, o dispositivo suporta um amplo conjunto de recursos de proteção, incluindo o uso de MOSFETs externos de canal N, limite de corrente analógica (ACL) de retorno, disjuntores eletrônicos de fonte e retorno ajustáveis e muito mais. Para proteção adicional contra surtos, os desenvolvedores podem adicionar um diodo TVS, como o SMAJ58A da Littelfuse, para atenuar os picos de alimentação (Figura 5).

Figura 5: Complementando o controlador PD LTC9111, o controlador SPoE de cinco portas LTC4296-1 simplifica o projeto do lado PSE de uma conexão Ethernet industrial. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Usando o kit de avaliação EVAL-SPoE-KIT-AZ da Analog Devices, os desenvolvedores podem adquirir rapidamente experiência com o controlador PSE. O kit permite que os projetistas estudem uma aplicação SPoE completa compatível com IEEE 802.3. Ele é fornecido com placas-mãe baseadas em LTC4296-1 e LTC9111, cada uma hospedando escudos de plug-in baseados em ADIN1100 que se conectam por meio de um cabo SPE (Figura 6).

Figura 6: O kit de avaliação EVAL-SPoE-KIT-AZ fornece um conjunto completo de placas de hardware e cabos para avaliar uma aplicação SPoE baseada nos controladores PSE LTC4296-1 e PD LTC9111 e em um dispositivo ADIN1100 PHY Ethernet 10BASE-T1L. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Embora o controlador PSE LTC4296-1, o controlador PD LTC9111 e o dispositivo ADIN1100 PHY Ethernet 10BASE-T1L permitam a rápida implementação de soluções SPoE compatíveis com IEEE 802.3cg, outra solução da Analog Devices atende à necessidade de controladores de limitação ativa.

Controlador PWM com limitação ativa

Projetados para aumentar a eficiência das fontes de alimentação em aplicações PoE PD, os dispositivos da série MAX5974 da Analog Devices são controladores de modulação por largura de pulso (PWM) em modo de corrente, com limitação ativa e espectro espalhado. Os dispositivos da série MAX5974 são oferecidos em diversas variações. Por exemplo, o MAX5974D foi projetado para suportar a regulagem de saída usando a realimentação tradicional do optoacoplador. Por outro lado, o MAX5974B foi projetado para suportar a regulagem de saída sem um optoacoplador, permitindo que a saída do indutor acoplado derive a entrada de alimentação do conversor (IN) (Figura 7).

Figura 7: O MAX5974B da Analog Devices simplifica o projeto do conversor com limitação ativa, eliminando os optoacopladores na realimentação e derivando a tensão de entrada (IN) do conversor a partir da saída do indutor acoplado. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A limitação máxima do ciclo de trabalho antecipada e integrada aos dispositivos MAX5974 garante que a tensão máxima de limitação permaneça independente da tensão da linha durante condições transitórias. O recurso de limite de corrente de ciclo a ciclo do dispositivo ajuda a proteger ainda mais os componentes eletrônicos sensíveis. Quando o dispositivo detecta que o limite da corrente de pico foi atingido e mantido além de uma duração limite, ele desliga temporariamente a saída de acionamento da porta do comutador principal (NDRV) e a saída de acionamento da porta do comutador de limitação ativa (AUXDRV), permitindo que a corrente de sobrecarga se dissipe antes de tentar uma partida suave.

Praticando uma abordagem ampla à proteção contra surtos

Esses produtos permitem uma abordagem ampla da proteção contra surtos em redes Ethernet. O ADIN1100 garante uma operação de longo alcance e baixo consumo de energia, servindo como uma base robusta para a rede. Os controladores LTC9111 e LTC4296 trabalham em conjunto para gerenciar o fornecimento de energia e proteger contra surtos nos níveis PD e PSE. O MAX5974 complementa essa configuração, garantindo uma conversão de energia eficiente e reduzindo o potencial de desperdício de energia durante eventos de surto.

Ao implementar esses produtos de forma coordenada, os desenvolvedores podem aumentar significativamente os recursos de proteção contra surtos das redes Ethernet. Essa abordagem integrada protege o hardware e garante comunicação ininterrupta e continuidade operacional.

Conclusão

A Ethernet oferece vantagens significativas para as comunicações industriais, mas os cabos longos deixam os componentes eletrônicos sensíveis vulneráveis a eventos de surto. Usando um conjunto de dispositivos e recursos de desenvolvimento da Analog Devices, os desenvolvedores podem implementar rapidamente a conectividade Ethernet capaz de resistir aos efeitos de eventos de surto.