서지 이벤트로부터 이더넷 네트워크를 보호하는 방법

이더넷이 산업 통신에서 중추적인 역할을 하면서 낙뢰와 같은 서지 이벤트에 대한 인프라의 민감성이 중요한 문제로 제기되고 있습니다. 이러한 사고는 접지 루프와 자기 결합 전압을 유도하여 운영 기술 시스템을 무력화할 수 있습니다.

이더넷 연결 장치의 시스템 무결성과 기능을 유지하려면 개발자는 파괴적인 에너지 전달로부터 민감한 전자 부품을 보호할 수 있는 강력한 솔루션이 필요합니다.

이 기사에서는 서지가 전자 시스템에 미치는 영향을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices의 보호 장치를 소개하고 이러한 장치를 사용하여 서지 이벤트를 완화하는 방법을 알려줍니다.

서지 이벤트가 전자 시스템에 미치는 영향

서지 이벤트는 다양한 요인으로 인해 발생할 수 있으며, 번개가 가장 극적이고 파괴적인 영향을 미칩니다. 낙뢰는 수 마일 떨어진 곳에서도 전자 시스템에서 접지 루프와 자기 결합 전압을 유도할 수 있습니다. 이 과도 과전압으로 인해 민감한 전자 부품이 손상되고 중요한 작동이 중단될 수 있습니다.

서지 이벤트가 전자 시스템에 미치는 영향은 일시적인 오작동에 그치지 않습니다. 이러한 고에너지 전송은 회로망에 불가역적인 손상을 가하여 높은 수리 비용과 시스템 다운타임으로 이어질 수 있습니다. 이더넷 네트워크에서 서지 이벤트는 네트워킹 하드웨어, 그리고 연결된 장치를 손상시켜 데이터 손실, 시스템 성능 저하, 전체 시스템 고장으로 이어질 수 있습니다.

서지 이벤트에 대한 이더넷 인프라의 민감성은 광범위한 범위와 상호 연결된 특성에서 비롯됩니다. 이더넷 케이블은 장거리에 걸쳐 연결되므로 서지 이벤트에서 유도되는 전압 및 전류를 비롯한 환경 내 전자기 교란을 가지고 서지 지점에서 격리된 것처럼 보이는 장치에 도달합니다(그림 1a).

그림 1: 보호되지 않은 이더넷 설치는 민감한 전자 부품을 통과하는 서지 이벤트에 취약하지만(a), 보호 평면과 같은 서지 보호 설계 방법을 사용하여 서지 전류에 대한 안전한 경로를 확보할 수 있습니다(b). (이미지 출처: Analog Devices)

개발자는 이러한 고에너지 전송으로부터 민감한 전자 부품을 보호할 수 있는 강력한 서지 보호 조치를 구현하여 시스템 무결성과 기능을 보장해야 합니다. 여기에는 접지하거나 보호 평면과 같은 기술로 안전하게 방출하여 민감한 부품에서 잉여 에너지를 전환할 수 있는 서지 보호 장치를 통해 네트워크의 중요 지점을 보호하는 것이 포함됩니다(그림 1b).

연결된 장치에 대한 서지 보호를 구축하기 위해 개발자는 과도 전압 억제기(TVS)를 사용한 전압 클램핑, 분리 접근법, 고주파 필터링, 기타 기술과 같은 고급 설계 방법을 사용합니다. 동시에 성공적인 서지 보호를 위해 이러한 기술을 이더넷 물리층(PHY) 장치, 컨트롤러, 서지 이벤트에 의해 유도되는 응력을 관리하도록 설계된 전력 공급 장비를 비롯한 특수 부품과 결합해야 합니다.

Analog Devices의 솔루션 세트는 이더넷 연결 장치의 강력한 기능에 대한 특수 요구 사항을 충족하면서 서지 보호 설계 방법을 지원하도록 특별히 설계되었습니다.

이더넷 네트워크에 대한 서지 보호 구축

레거시 통신에서 이더넷 기반 연결로 전환하는 조직에 10BASE-T1L 물리층 이더넷 표준의 등장은 10Mbps 단일 쌍 이더넷(SPE) 케이블을 위한 IEEE 802.3cg 표준을 사용하여 공장 내 원격 위험 지역에 배치된 에지 장치를 연결하는 데 필요한 중요 링크를 제공합니다. 이러한 표준을 지원하도록 설계된 Analog Devices의 ADIN1100은 최대 1,700m 거리에서 이더넷 연결을 지원하는 저전력 단일 포트 트랜시버입니다. 소비 전력이 39mW에 불과한 ADIN1100은 호스트 프로세서를 이더넷 네트워크에 간편하게 연결하도록 설계된 하드웨어 인터페이스와 포괄적인 기능 아키텍처를 결합합니다(그림 2).

그림 2: ADIN1100은 완벽한 10BASE-T1L PHY를 제공하여 산업용 시스템을 이더넷 네트워크로 간편하게 전환할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

전원 공급 장치 모니터링 및 파워-온 리셋(POR) 회로망이 내장된 ADIN1100의 서지 보호 설계는 시스템 견고성에 기여하여 변덕스러운 환경에서도 안정적인 작동을 보장합니다. Analog Devices의 EVAL-ADIN1100-EBZ 평가 기판을 사용하여 개발자는 ADIN1100의 성능을 빠르게 평가하고 추가 서지 보호 메커니즘을 살펴볼 수 있습니다.

이 평가 기판은 LED 상태 표시기, 버튼 및 인터페이스 연결과 함께 테스트 포인트, 대체 케이블 연결 방식을 검사하기 위한 소형 시제품 제작 영역, 선택적 절연 변압기 또는 전력 커플링 인덕터를 제공합니다(그림 3).

그림 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100은 ADIN1100 성능 평가와 서지 보호 설계 메커니즘 실험을 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

산업용 이더넷 기반 장치 컨트롤러

산업용 SPE 응용 분야에 사용하도록 설계된 Analog Devices LTC9111은 2.3V ~ 60V의 폭넓은 작동 범위를 지원하는 IEEE 802.3cg 준수 단일 쌍 이더넷을 통한 전력 공급(SPoE) 기반 장치 컨트롤러입니다. 이 장치는 구동 장치(PD)와 전력 공급 장비(PSE)가 필요한 전력 클래스에 대한 정보를 공유하는 시스템에서 직렬 통신 분류 프로토콜(SCCP)을 지원합니다.

IEEE 802.3cg를 지원하는 LTC9111은 서지 이벤트의 효과를 줄이도록 구축되었지만, 서지에 민감한 응용 분야에서 장치를 사용하는 개발자는 TVS 다이오드와 같은 전압 클램프를 포함할 수 있습니다. ADIN1100과 결합된 TVS는 장거리에서 작동할 수 있는 SPoE 솔루션을 구현하는 데 효과적인 솔루션을 제공합니다(그림 4).

그림 4: ADIN1100과 결합된 LTC9111은 몇 가지 추가 부품만 있으면 산업용 이더넷 연결의 구동 장치 측을 완성할 수 있도록 SPoE 설계를 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

SPoE PSE 컨트롤러

802.3cg 준수 응용 분야의 전원 공급 측에서 LTC4296-1은 24V 또는 54V 시스템에서 802.3cg PD와 상호 작용하도록 설계된 5포트 SPoE PSE 컨트롤러입니다. 입력 전압 범위가 6V ~ 60V인 이 장치는 외부 N채널 MOSFET 사용, 폴드백 아날로그 전류 제한(ACL), 가변 공급 및 복귀 전자 회로 차단기 등 포괄적인 보호 기능을 지원합니다. 추가적인 서지 보호를 위해 개발자는 Littelfuse SMAJ58A와 같은 TVS 다이오드를 추가하여 공급 스파이크를 완화할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: LTC9111 PD 컨트롤러를 보완하는 LTC4296-1 5포트 SPoE 컨트롤러는 산업용 이더넷 연결의 PSE 측 설계를 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Analog Devices의 EVAL-SPoE-KIT-AZ 평가 키트를 사용하여 PSE 컨트롤러를 신속하게 경험할 수 있습니다. 설계자는 이 키트를 사용하여 전체 IEEE 802.3 준수 SPoE 응용 분야를 살펴볼 수 있습니다. 이 키트는 LTC4296-1 및 LTC9111 기반 마더보드와 함께 제공되며, 각 마더보드에는 SPE 케이블을 통해 연결되는 ADIN1100 기반 플러그인 실드가 실장되어 있습니다(그림 6).

그림 6: EVAL-SPoE-KIT-AZ 평가 키트는 LTC4296-1 PSE 및 LTC9111 PD 컨트롤러와 ADIN1100 10BASE-T1L 이더넷 PHY 장치를 기반으로 하는 SPoE 응용 제품을 평가하기 위한 전체 하드웨어 기판 및 케이블 세트를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTC4296-1 PSE 컨트롤러, LTC9111 PD 컨트롤러 및 ADIN1100 10BASE-T1L 이더넷 PHY 장치를 사용하면 IEEE 802.3cg 준수 SPoE 솔루션을 빠르게 구현할 수 있지만, 다른 Analog Devices 솔루션을 사용하면 활성 클램프 컨트롤러가 필요하지 않습니다.

활성 클램프 PWM 컨트롤러

PoE PD 응용 분야에서 공급원의 효율성을 개선하도록 설계된 Analog Devices의 MAX5974 계열 장치는 활성 클램프, 확산 스펙트럼, 전류 모드 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러입니다. MAX5974 계열 장치는 다양한 유형으로 제공됩니다. 예를 들어 MAX5974D는 기존 광 커플러 피드백을 사용하여 출력 조정을 지원하도록 설계되었습니다. 반면에 MAX5974B는 광 커플러 없이 출력 조정을 지원하도록 설계되었으며, 결합 인덕터 출력을 사용하여 컨버터 공급 입력(IN)을 유도할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: Analog Devices의 MAX5974B는 피드백에서 광 커플러를 제거하고 결합 인덕터 출력에서 컨버터 입력(IN) 전압을 유도하여 활성 클램프 컨버터 설계를 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX5974 장치에 내장된 피드포워드 최대 듀티 사이클 클램프는 과도 상태 동안 선간 전압에 상관없이 최대 클램프 전압이 유지되도록 합니다. 장치의 주기별 전류 제한 기능은 민감한 전자 부품을 안전하게 보호할 수 있도록 도와줍니다. 장치에서 피크 전류 제한에 도달하고 임계 기간을 초과하여 지속되는 것이 감지될 경우 주 스위치 게이트 구동 출력(NDRV) 및 활성 클램프 스위치 게이트 구동 출력(AUXDRV)을 일시적으로 끄고 소프트 스타트를 시도하기 전에 과부하 전류가 방출되도록 합니다.

서지 보호에 대한 광범위한 접근 방식 적용

이러한 제품을 사용하면 이더넷 네트워크에서 서지 보호에 대한 광범위한 접근 방식을 적용할 수 있습니다. ADIN1100은 장거리 저전력 작동을 보장하여 네트워크에 대한 견고한 기반 역할을 합니다. LTC9111 및 LTC4296 컨트롤러는 함께 작동하여 전력 공급을 관리하고 PD 레벨과 PSE 레벨 모두에서 서지로부터 보호합니다. MAX5974는 효율적인 전력 변환을 보장하고 서지 이벤트 동안 에너지 낭비 가능성을 줄여서 이 설정을 보완합니다.

개발자는 이러한 제품을 함께 구현하여 이더넷 네트워크의 서지 보호 기능을 대폭 향상시킬 수 있습니다. 이 통합 접근 방식은 하드웨어를 보호하고 중단 없는 통신 및 운영 연속성을 보장합니다.

결론

이더넷은 산업용 통신에 큰 이점을 제공하지만, 긴 케이블 길이로 인해 민감한 전자 부품이 서지 이벤트에 취약해집니다. Analog Devices의 장치 및 개발 리소스를 사용하여 개발자는 서지 이벤트 효과를 견딜 수 있는 이더넷 연결을 빠르게 구현할 수 있습니다.