기가비트 산업용 네트워크의 기반을 제공하는 Pulse Electronics ICM

산업용 네트워크는 공장 현장의 장비를 제어하고 데이터와 이미지를 외부 모니터에 전송하며 원활한 로컬 및 원격 통신과 데이터 전송을 가능하게 합니다. 이러한 네트워크의 기반이 되는 이더넷 기술은 수 년에 걸쳐, 10Mbps 전송이 가능한 10BASE-T 시스템에서 시작해 유선 이더넷 및 무선 5G 전송에서 최대 400Gbps를 지원하는 네트워크로 발전했습니다. 이러한 발전은 이더넷 케이블을 통해 장치를 LAN(근거리 통신망)에 연결하고, 신호 전송을 향상시키며, 데이터 흐름을 관리하는 네트워크 핵심 요소를 기반으로 합니다.

설계자는 손쉽게 배치할 수 있는 패키지에 최적의 부품을 통합하는 개별 산업용 네트워크 장치 또는 제품을 선택할 수 있습니다. 이 옵션을 이해하는 것은 미래에도 사용 가능한 산업용 네트워크를 구현하기 위한 첫 번째 단계입니다.

산업 연결의 구성 요소

산업용 네트워크의 각 장치에는 PCB(인쇄 회로 기판)에 내장된 이더넷 칩 PHY(물리층)가 있습니다. PHY는 장치 내외부에서의 통신을 관리합니다.

장치를 떠난 데이터는 일반적으로 물리적 매체(예: 이더넷 케이블)를 통해 이동합니다. 케이블과 PHY의 조합에 따라 전송 속도가 결정됩니다. 대부분의 새로운 장치는 최소 1000BASE-T 이더넷을 지원합니다. 즉, 여러 꼬임쌍으로 구성된 케이블에서 최대 1,000Mbps 또는 1Gb/sec으로 데이터를 전송하거나 수신할 수 있습니다.

PHY와 전송 매체 사이에 ICM(통합 커넥터 모듈)이 배치되어 있어 이 둘 사이에 효과적인 통신을 실현합니다. ICM은 케이블이 연결되는 표준 RJ45 이더넷 잭과 같은 MDI(매체 종속적 인터페이스)를 제공해야 합니다. ICM은 또한 PHY와 케이블의 임피던스를 맞추고 서지, 접지 루프, 신호 잡음으로부터 연결을 보호하는 갈바닉 절연을 제공하여 시스템 내에서 EMC(전자기 적합성)를 보장해야 합니다.

또한 ICM 내의 1:1 변압기는 PoE(이더넷을 통한 전력 공급)를 통해 데이터 또는 전력을 연결된 장치에 전송하는 데 사용되는 DC(직류) 바이어스와 PHY를 작동시키는 DC 바이어스를 분리합니다.

ICM은 데이터를 전송하는 데 사용되는 두 개의 꼬임쌍 사이 또는 이더넷 케이블에서 사용되지 않은 두 개의 꼬임쌍 사이에서 DC 바이어스를 보장하여 PoE를 관리합니다. PoE는 공장 현장 응용 분야의 케이블링을 크게 줄일 수 있지만, EMI를 최소한으로 유지하기 위해서는 케이블, ICM, 기타 네트워크 구성 요소를 신중하게 선택해야 합니다.

PoE의 활용

산업 환경에서 PoE를 구현하기 위해 엔지니어는 LAN 변압기를 사용합니다(예: Pulse Electronics의 PulseChip LAN 변압기 TCxG 계열)(그림 1). 이러한 장치는 4개의 꼬임쌍에서 1Gbps, 2.5Gbps, 5Gbps 또는 10Gbps의 데이터 기저대역 전송과 0W ~ 90W DC 전력 공급을 지원합니다.

그림 1: PulseChip TCxG 계열 LAN 변압기는 자기 초크와 쌍을 이루어 신호 잡음을 줄이고 최대 10Gbps의 데이터와 함께 0W ~ 90W DC PoE를 제공합니다(이미지 출처: Pulse Electronics).

SMD(표면 실장 장치), 페라이트 코어 변압기는 1,500V_RMS의 갈바닉 절연을 제공하여 잡음과 EMI를 줄입니다. TCxG 계열은 이더넷 및 Wi-Fi 통신 장치의 전기 요구 사항, 특히 유형 4 클래스 6/8 PoE 응용 분야의 1G, 2.5G, 5G, 10GBASE-T 이더넷 전송 및 IEEE 802.3bt 요구 사항을 통제하는 IEEE(Institute for Electrical and Electronics Engineers: 전기전자 엔지니어 협회) 802.3 사양의 관련 섹션을 충족하거나 능가합니다.

TCxG LAN 변압기는 1812(4732) 코어 크기의 표준 6패드 PCB 레이아웃에 맞도록 설계되었습니다. TCxG00P 계열은 4.70 ±0.25mm x 3.20mm 실장 면적에서 60W PoE를 관리합니다. TCxG001P 계열은 소형 코어 레이아웃에 맞도록 특별히 설계된 4.60 ±0.25mm x 3.40mm 크기에서 90W를 처리하지만, Pulse Electronics 엔지니어는 더 높은 전력에서의 온도 상승을 완화하기 위해 변압기의 케이블 쪽에 추가 공간을 제공할 것을 권장합니다. 이 변압기는 부품의 자기 발열로 유도되는 온도를 포함하여 -40°C ~ +85°C의 온도에서 작동하도록 설계되었습니다.

두 설계 모두 최대 200MHz의 주파수에서 -1dB 미만의 삽입 손실을 나타냅니다. 신호 손실을 더 줄이기 위해 TCxG 계열 변압기는 SMT 자기 초크(예: Pulse Electronics의 PE-0805GCMC 계열)와 쌍을 이루도록 설계되었습니다. 신호의 전기적 잡음을 필터링하는 데 도움이 되는 이러한 초크는 임피던스 정합을 보장하기 위해 데이터 속도를 기준으로 LAN 변압기와 짝을 이룰 수 있습니다. 이 초크는 2.00mm x 1.2mm의 더 작은 0805(2012) 코어 크기에 적합하며, 배치를 제한하는 극성이 없기 때문에 PCB 설계에서 유연성을 제공합니다.

TCxG 변압기 및 이 변압기와 짝을 이루는 초크의 유연한 모듈식 설계와 더불어, 이 변압기의 PoE 전송 기능 덕분에 이 제품은 HMI(인간 기계 간 인터페이스), 산업용 이더넷 LAN 스위치, 라우터 및 서버, 5G 및 Wi-Fi WAP(무선 액세스 포인트)와 같은 응용 분야에 적합합니다.

ICM을 통한 연결 통합

LAN 변압기와 자기 초크를 별도로 지정하면 유연성이 제공되지만 많은 응용 분야에서 통합 솔루션을 요구합니다. ICM은 자기 초크 및 이더넷 케이블 플러그용 RJ45 소켓과 LAN 변압기를 결합하면서, 일반적으로 사용되는 PHY 칩과의 호환성을 유지합니다.

Pulse Electronics의 Pulsejack JXT7 계열 이더넷 ICM(그림 2)에서는, 이러한 부품이 함께 작동하여 IEEE 802.3an에 따라 최대 10Gbps의 데이터 속도를 제공하거나 IEEE 802.3bz에 따라 다중 속도 2.5Gbps 및 5Gbps 작동을 달성합니다. 이 제품은 IEEE 802.3bt에 따라 100ft의 TUP(비차폐 꼬임쌍) 케이블(예: Cat5e 또는 Cat6)에 걸쳐 140W의 DC 전력을 제공합니다.

그림 2: Pulsejack JXT7 계열 ICM은 강화형 SMD에 LAN 변압기, 자기 초크, RJ45 잭을 통합하여 1Gbps ~ 10Gbps의 데이터 속도와 최대 140W의 DC PoE를 지원하며 WAP에 이상적입니다(이미지 출처: Pulse Electronics).

이러한 고 전력 레벨 및 최대 1.3A 전류에서의 잠재적 과열을 방지하기 위해, 34.29mm 깊이 x 16.51mm 너비 x 13.33mm 높이를 가진 JXT7 ICM은 더 큰 캐비티 설계를 제공합니다. 이 장치는 상단 및 하단 EMI 핑거와 추가 접지 태그를 포함한 충분한 EMI 차폐를 갖추고 있습니다. JXT7 ICM은 -40°C ~ +85°C의 산업 및 실외 응용 분야를 위해 견고하게 구성되었습니다.

네트워킹의 수준을 한 단계 업그레이드

ICM은 개별 장치를 산업용 이더넷 네트워크에 연결하는 중요한 구성 요소이지만, 그러한 네트워크를 구축하려면 장치가 전송하는 데이터 속도에 맞출 수 있는 스위치, 라우터, 안테나가 필요합니다. 콤팩트한 ICM 및 PoE 기술로 제공되는 공장 현장의 공간 효율성을 유지하기 위해 이러한 네트워킹 장치는 기존 PCB 레이아웃에 적합해야 합니다.

이러한 효율성을 달성하는 한 가지 방법은 네트워킹 부품의 고밀도 패키징을 허용하는 SMD인 BAG(볼 그리드 어레이)를 사용하는 것입니다. Pulse Electronics의 1GB SMD BGA 이더넷 LAN 모듈(그림 3)은 10BASE-T ~ 1000BASE-T의 이더넷 연결을 지원하면서 140mm²/포트 미만의 밀도에서 최대 70W의 DC PoE를 제공합니다.

그림 3: Pulse Electronics 1GB SMD BGA 이더넷 LAN 모듈은 더 높은 수준의 PoE를 지원할 수 있도록 네트워크 스위치를 업그레이드할 수 있으며 최대 1Gbps의 데이터 속도를 지원할 수 있습니다(이미지 출처: Pulse Electronics).

더 느린 속도 또는 더 낮은 전력을 지원하는 오래된 부품의 실장 면적에 맞는 이 장치는 2열의 포트(열당 1포트 ~ 8포트)를 갖는 2xN 커넥터 뒤에 설치됩니다. 산업 환경용으로 설계된 모듈은 -40°C ~ +80°C의 작동 온도에 대해 정격화되었습니다.

이 고밀도 모듈은 또한 무선 RF 통신을 위해 5G 안테나를 추가할 수도 있습니다. 5G 응용 분야용 안테나 솔루션(예: Pulse Electronics의 솔루션)(그림 4)은 장치의 PCB 또는 FPC(연성 회로 기판)의 내부에 실장하거나 하드웨어 또는 자석을 통해 외부에 실장할 수도 있습니다. 안테나 선택은 원하는 데이터 전송률 및 대역폭, 수신기까지의 거리, 장애물 또는 간섭에 따라 달라집니다.

이러한 안테나는 617MHz ~ 7,125MHz의 주파수로 5G 전송의 저대역 및 중간 대역을 지원합니다. 이러한 주파수에서, 이 안테나는 높은 데이터 속도 및 낮은 지연으로 센서에서 스마트 장치로 데이터를 전송할 수 있습니다.

그림 4: Pulse Electronics 5G 안테나는 617MHz ~ 7,125MHz의 주파수에 걸쳐 Wi-Fi, Bluetooth 및 기타 RF 통신 표준을 통해 산업용 네트워크를 지원합니다(이미지 출처: Pulse Electronics).

결론

산업용 네트워크는 LAN 변압기, 자기 초크, 꼬임쌍 케이블, 이더넷 잭, 스위치, 라우터, 안테나와 같은 다양한 부품에 의존합니다. 이러한 부품이 설계된 대로 함께 작동하면, 현재와 미래의 산업용 네트워크는 높은 정확도와 낮은 지연으로 다중 기가비트 속도를 지원합니다.