기가비트 이더넷 프런트 엔드 보호를 위한 옵션: 개별형 vs. 통합형

기가비트 이더넷(GbE)은 가정용, 상업용, 산업용 건물에서 널리 사용되는 견고한 고속 통신 시스템입니다. 그러나 예상치 못했던 과도 고전압이 커넥터를 단락시키면 그러한 견고성이 위협을 받게 됩니다. 이러한 과도 현상은 낙뢰 또는 정전기 방전(ESD)으로 인해 발생할 수 있습니다. 기가비트 이더넷(GbE)에 보호 기능이 없으면, 전압 스파이크가 커넥터를 통해 전도되어 GbE 물리층(PHY)의 실리콘을 빠르게 태워버릴 수 있습니다.

따라서 GbE 프런트 엔드 설계에 높은 수준의 보호 기능이 요구되는 것은 당연합니다. 이는 통상적으로 절연 변압기를 사용하여 이루어집니다. GbE 사양(IEEE 802.3)은 GbE 프런트 엔드에 대해 2.1kV의 최소 분리 정격을 정의합니다. 하지만 대부분의 상업용 변압기는 4kV ~ 8kV의 분리 정격을 제공합니다. GbE 인터페이스에 대한 추가적인 보호는 공통 모드 초크(CMC)의 형태로 제공되는데, 이는 고주파 교류(AC)를 차단하고 ESD 스파이크의 심각도를 줄이는 데 사용되는 인덕터입니다.

'밥 스미스(Bob Smith)' 종단은 보호 기능의 수준을 더욱 강화할 수 있습니다. 이 설계는 1993년 Robert W. Smith가 출원한 특허(현재는 만료됨)의 이름을 따서 명명되었습니다. 이는 '케이블에서 방사되는 방출과 외부 간섭에 대한 케이블의 민감성을 최소화하기 위해 케이블을 종단하는 장치'에 대해 다룬 특허입니다. GbE 응용 분야에서 밥 스미스 종단은 일반적으로 75Ω 저항기를 사용하여 공통 모드 임피던스 정합을 구현함으로써, 커패시터로 연결된 접지를 통해 집합적으로 연결된 신호 쌍의 공통 모드 방사를 줄이는 데 도움을 줍니다(그림 1).

그림 1 : 기가비트 이더넷 시스템에서 각 채널에 대한 프런트 엔드 전압 스파이크 및 ESD 보호는 일반적으로 절연 변압기, CMC 및 밥 스미스 종단으로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

개별형과 통합형 GbE 보호 비교

설계자에게는 GbE 보호를 구현하기 위한 세 가지 표준 옵션이 있습니다. 첫 번째 옵션은 자체적인 변압기, CMC, Bob Smith 종단 및 기타 접지 부품을 선택하고 해당 PC 기판에 맞는 회로망을 설계하는 것입니다. 이 옵션의 장점은 고급 부품을 선택하여 보호 수준을 극대화할 수 있고, 다른 옵션에 비해 해당 부품에 대한 비용을 절감하며, 독창적인 설계를 제작하는 만족감을 누릴 수 있다는 점입니다. 하지만 설계 공정이 까다롭고 시간이 오래 걸리며 개별 부품이 통합 솔루션보다 더 많은 공간을 차지한다는 단점이 있습니다.

두 번째 옵션은 변압기와 CMC를 단일 부품으로 통합하는 모듈을 선택하는 것입니다. 이 모듈은 여러 채널을 지원하기 위해 여러 개의 변압기와 CMC를 하나의 부품에 통합할 수 있습니다. 이 방법은 공간을 절약하고 설계 주기를 단축할 수 있다는 장점이 있지만, 여전히 Bob Smith 종단 및 기타 접지 관련 부품을 사용해야 할 경우도 있습니다.

Würth Elektronik은 WE-LAN 제품군에서 이러한 모듈을 다양하게 제공합니다. 749020310 WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T 표면 실장 장치(SMD)를 고려해 보세요. 이 부품은 4개의 채널을 보호하며 350µH의 유도 용량, 60MHz ~ 100MHz 주파수 범위에서 -30데시벨(dB)의 차동 공통 모드 제거율(CMRR), 1분 동안 1500V(RMS)의 절연 테스트 전압 통과를 특징으로 합니다.

세번째 옵션은 변압기와 CMC가 통합된 RJ45 커넥터를 선택하는 것입니다. 이 옵션은 가장 콤팩트한 설계입니다. 단점은 GbE 프런트 엔드 부품의 유연성이 부족하다는 점입니다. 이러한 RJ45 커넥터의 예로는 Würth Elektronik의 7499611420 WE-RJ45LAN 변압기 10/100/1000/10G Base-T가 있으며, 여기에는 변압기, CMC, 75Ω 종단 저항기를 비롯한 4개의 보호 채널이 통합되어 있습니다. 이 커넥터는 120µH의 유도 용량, 1MHz ~ 100MHz 주파수 범위에 걸친 -28dB의 차동 CMRR, 1분 동안 1500V(RMS)의 절연 테스트 전압 통과의 장점을 지닌 제품입니다(그림 2).

그림 2: Würth Elektronik의 7499611420는 4채널의 절연 변압기, CMC 및 종단 저항기 보호 기능을 통합한 제품입니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

보호 기능이 통합된 RJ45 커넥터를 사용하면 공간을 크게 절약할 수 있어 공간 제약이 있는 응용 제품에 유용합니다(그림 3).

그림 3: 별도의 부품(a)와 비교할 때, RJ45 커넥터(b)에 GbE 보호 기능을 통합하면 보호 모듈이 필요 없고 PC 기판의 공간을 절약할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

전자기 적합성 테스트

RJ45 커넥터에 회로망을 너무 조밀하게 끼우면 회로가 제공하는 보호 기능이 약화되는 것은 아닌지 하는 의문이 들 수도 있습니다. 이에 대한 해답은 방대한 응용 참고 사항(ANP116), 'Gigabit Ethernet interface from an EMC perspective'에서 찾을 수 있으며, Würth Elektronik은 이 응용 참고 사항에서 그림 3(a) 및 3(b)에 나와 있는 참조 설계를 테스트합니다.

한 가지 중요한 점은 이더넷 케이블이 GbE 시스템의 전자파 적합성(EMC)에 미칠 수 있는 영향입니다. 케이블 유형은 EMC 동작에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 그러나 (당연한 결과지만) 차폐가 되지 않은 케이블은 차폐 설계보다 더 높은 간섭 방출과 감소된 내성 수준(최대 20dB 낮음)을 나타냅니다.

케이블이 이 정도의 상황일 경우, 프런트 엔드 조립품은 더 심각할 것입니다. 응용 참고 사항에서, Würth Elektronik은 두 참조 설계가 전자파 적합성(EMC) 동작에서 차이가 있으며 이는 주로 고전압 '버스트' 레벨에 대한 허용 오차 범위에 관련된 것이라고 결론지었습니다.

이러한 버스트는 유도 회로를 전환함으로써 스파크를 유발할 때 발생합니다. 버스트 전파 방해는 이더넷 컨덕터 구조에 강력하게 결합합니다. 버스트 레벨이 높은 EMC 환경에서 강화된 성능이 필요한 경우 개별형(모듈) 이더넷 인터페이스 설계가 권장됩니다.

버스트가 발생했을 때 EMC의 이러한 차이를 제외하면 두 유형의 EMC 동작은 비슷하며, 두 설계 모두 1GHz 주파수 범위에서 주거용 장비에 대한 미국 연방통신위원회(FCC) 클래스 B 인증 제한을 10dB 이상 일관되게 상회합니다(그림 4).

그림 4: 주거용 장비에 대한 FCC 클래스 B 인증 한도 내에서 개별형(모듈) 및 통합형(RJ45 커넥터) EMC 성능(복사성 장해 방출) 비교 (이미지 출처: Würth Elektronik)

그림 4는 최악의 상황으로, 차폐되지 않은 케이블이 수평 안테나 분극에 있는 경우입니다. 차폐 케이블은 방사량을 더욱 줄입니다.

설계 키트를 사용하여 변압기 옵션 실험하기

회로 보호는 GbE 설치에 필수이므로, 이와 관련된 부품은 수년에 걸쳐 정교해졌으며, 회로 설계 완성도 역시 높아졌습니다. 결과적으로, 참조 설계 및 개별 부품을 사용하면 엔지니어가 이를 직접 구현할 수 있습니다. 하지만, 많은 상업용 옵션이 통합 솔루션을 제공합니다.

Würth Elektronik은 편리한 설계 키트인 749945를 제공합니다. 이 키트에는 다양하게 사용해 볼 수 있는 WE-RJ45 LAN 변압기 샘플이 충분히 있습니다.

결론

GbE 회로 보호에 널리 사용되는 옵션으로는 보호 회로가 통합되어 있고 RJ45 커넥터와 GbE PHY 사이에 설치되는 모듈, 또는 인클로저 내부에 보호 회로가 들어있어 모듈이 필요 없는 RJ45 커넥터가 있습니다. 공간과 프런트 엔드 설계 유연성 사이의 절충점을 찾아야 하며, 두 가지 모두 인증 규격을 준수하며 보호 기능을 제공해야 합니다.