サージ事象からEthernetネットワークを保護する方法

Ethernetが産業用通信のバックボーンになるにつれ、そのインフラが落雷などのサージ事象に弱いことが重大な課題となっています。このような事故は、グランドループや磁気結合電圧を誘発し、運用技術システムを麻痺させる可能性があります。

開発者はEthernet接続されたデバイスのシステム完全性と機能性を維持するために、破壊的なエネルギー移動から高感度の電子機器を保護する堅牢なソリューションを必要としています。

この記事では、サージが電子システムに与える影響について簡単に説明します。その後、Analog Devicesの保護デバイスを紹介し、それらを使用してサージ事象を軽減する方法を示します。

サージ事象が電子システムに与える影響

サージ事象はいくつかの要因で発生しますが、なかでも雷は最も劇的かつ破壊的です。たとえ数マイル離れていても、落雷は電子システムにグランドループや磁気結合電圧を引き起こす可能性があります。この過渡過電圧により、高感度の電子機器が損傷し、重要な業務が中断する可能性があります。

サージ事象が電子システムに与える影響は、一時的な不具合にとどまりません。このような高エネルギー伝達は、回路に不可逆的な損傷を与え、コストがかかる修理やシステムダウンタイムにつながる可能性があります。Ethernetネットワークでは、サージ事象によってネットワークハードウェアや接続デバイスが損傷し、データ損失やシステムパフォーマンスの低下、さらには完全なシステム障害につながる可能性もあります。

Ethernetインフラがサージ事象の影響を受けやすいのは、その広範な範囲と相互接続性に起因します。Ethernetケーブルは長距離を横断するため、サージ事象による誘導電圧や誘導電流など、環境からの電磁波障害を拾い上げ、これらはサージ発生地点から離れているように思われるデバイスにも到達します（図1a）。

図1：保護されていないEthernet装置は、高感度の電子機器を通過するサージ事象の影響を受けやすいのですが（a）、ガードプレーンなどのサージ保護設計手法を使用することで、サージ電流の安全な経路を確保できます（b）。（画像提供：Analog Devices）

開発者は、このような高エネルギー伝達から高感度の電子機器を保護し、システムの完全性と機能性を確保するために、堅牢なサージ保護対策を実施する必要があります。これには、過剰なエネルギーを接地するか、ガードプレーン（図1b）などの技術を使用して安全に放散することで高感度のコンポーネントから迂回させることができるサージ保護デバイスを使用して、ネットワーク内の重要なポイントを保護する方法が含まれます。

接続デバイスにサージ保護を組み込むために、開発者は過渡電圧サプレッサ（TVS）を使用した電圧クランピング、絶縁アプローチ、高周波フィルタリングなどの高度な設計手法に依存しています。同時に、サージ保護を成功させるには、これらの技術を、サージ事象によって誘発されるストレスを管理するように設計されたEthernet物理層（PHY）デバイス、コントローラ、および電源装置などの特殊なコンポーネントと組み合わせる必要があります。

Analog Devicesが提供する一連のソリューションは、Ethernet接続デバイスの堅牢な機能に対する特殊な要件を満たしながら、サージ保護設計手法をサポートするよう特別に設計されています。

Ethernetネットワークへのサージ保護の組み込み

レガシー通信からEthernetベースの接続に移行する組織にとっては、イーサネット物理層規格10BASE-T1Lの出現により、10メガビット/秒（Mbps）シングルペアEthernet（SPE）ケーブルのIEEE 802.3cg規格を使用して工場内の遠隔地や危険な場所にあるエッジデバイスを接続するために必要な重要なリンクが提供されます。これらの規格をサポートするように設計されたAnalog DevicesのADIN1100は、最大1700mの距離でEthernet接続をサポートする低消費電力シングルポートトランシーバです。消費電力わずか39mWのADIN1100は、包括的な機能アーキテクチャおよび、ホストプロセッサとEthernetネットワークの接続を簡素化するように設計されたハードウェアインターフェースを兼ね備えています（図2）。

図2：ADIN1100は完全な10BASE-T1L PHYを提供し、産業用システムのEthernetネットワークへの移行を簡素化します。（画像提供：Analog Devices）

電源監視とパワーオンリセット（POR）回路を統合したADIN1100のサージ保護設計は、システムの堅牢性に貢献し、不安定な条件下でも安定した動作を保証します。開発者はAnalog DevicesのEVAL-ADIN1100-EBZ評価ボードにより、ADIN1100の性能を迅速に評価し、追加のサージ保護メカニズムを検討することができます。

この評価ボードには、LEDステータスインジケータ、ボタン、インターフェース接続に加え、テストポイント、代替ケーブル接続方法を検討するための小さな試作エリア、オプションの絶縁トランスまたは電力結合インダクタが用意されています（図3）。

図3：EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100は、ADIN1100の性能評価とサージ保護設計メカニズムの実験を簡素化します。（画像提供：Analog Devices）

産業用Ethernet受電デバイスコントローラ

産業用SPEアプリケーション向けに設計されたAnalog DevicesのLTC9111は、IEEE 802.3cg準拠のシングルペアPower over Ethernet（SPoE）受電デバイスコントローラで、2.3～60Vの広い動作範囲を特長としています。このデバイスは、受電デバイス（PD）と電力供給装置（PSE）が必要とする電力クラスに関する情報を共有するシステムにおいて、シリアル通信分類プロトコル（SCCP）をサポートします。

IEEE 802.3cgをサポートするLTC9111は、サージ事象の影響を低減するように設計されていますが、サージに敏感なアプリケーションでこのデバイスを使用する開発者は、TVSダイオードなどの電圧クランプを組み込むことができます。TVSをADIN1100と組み合わせることにより、長距離で動作可能なSPoEソリューションを実装するための効果的なソリューションを提供します（図4）。

図4：LTC9111をADIN1100と組み合わせることでSPoE設計を簡素化でき、産業用Ethernet接続の受電デバイス側を完成させるために必要な追加コンポーネントはわずかです。（画像提供：Analog Devices）

SPoE PSEコントローラ

LTC4296-1は、802.3cgに準拠したアプリケーションの電源供給側向けとして、24Vまたは54Vシステムの802.3cg PDとの相互運用性を考慮して設計された5ポートのSPoE PSEコントローラです。6～60Vの入力電圧範囲を特長とするこのデバイスは、外部NチャンネルMOSFETの使用、フォールドバックアナログ電流制限（ACL）、調節可能なソースおよびリターン電子回路ブレーカなど、広範な保護機能をサポートしています。開発者はさらなるサージ保護として、LittelfuseのSMAJ58AなどのTVSダイオードを追加し、電源スパイクを緩和することができます（図5）。

図5：LTC9111 PDコントローラを補完するLTC4296-1 5ポートSPoEコントローラは、産業用Ethernet接続のPSE側の設計を簡素化します。（画像提供：Analog Devices）

開発者はAnalog DevicesのEVAL-SPoE-KIT-AZ評価キットを使用することで、PSEコントローラの経験を迅速に積むことができます。設計者はこのキットにより、完全なIEEE 802.3準拠のSPoEアプリケーションを調査することができます。これにはLTC4296-1とLTC9111ベースのマザーボードが付属し、それぞれにADIN1100ベースのプラグインシールドが搭載され、SPEケーブルで接続されます（図6）。

図6：EVAL-SPoE-KIT-AZ評価キットは、LTC4296-1 PSEとLTC9111 PDコントローラおよびADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHYデバイスをベースとしたSPoEアプリケーションを評価するためのハードウェアボードとケーブル一式を提供します。（画像提供：Analog Devices）

LTC4296-1 PSEコントローラ、LTC9111 PDコントローラ、ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHYデバイスにより、IEEE 802.3cg準拠のSPoEソリューションの迅速な実装が可能になりますが、Analog Devicesの別のソリューションは、アクティブクランプコントローラのニーズに対応します。

アクティブクランプPWMコントローラ

PoE PDアプリケーションの電源効率を高めるために設計されたAnalog DevicesのMAX5974シリーズ デバイスは、アクティブクランプ、スペクトラム拡散、電流モードパルス幅変調（PWM）コントローラです。MAX5974シリーズのデバイスには複数のバリエーションがあります。たとえば、MAX5974Dは、従来のオプトカプラフィードバックを使用した出力安定化をサポートするように設計されています。対照的に、MAX5974Bはオプトカプラなしで出力安定化をサポートし、結合インダクタ出力をコンバータの電源入力（IN）に導出できるように設計されています（図7）。

図7：Analog DevicesのMAX5974Bは、フィードバックのオプトカプラを排除し、コンバータの入力（IN）電圧を結合インダクタ出力から導出することで、アクティブクランプコンバータの設計を簡素化します。（画像提供：Analog Devices）

MAX5974デバイスに統合されたフィードフォワード、最大デューティサイクルのクランプは、過渡状態の間、最大クランプ電圧がライン電圧に依存しないようにします。このデバイスのサイクルごとの電流制限機能は、高感度の電子機器をさらに保護するのに役立ちます。ピーク電流制限に達し、閾値の期間を超えて持続したことを検出すると、デバイスはメインスイッチのゲートドライブ出力（NDRV）とアクティブクランプスイッチのゲートドライブ出力（AUXDRV）を一時的にオフにし、ソフトスタートを試みる前に過負荷電流が消滅するようにします。

サージ保護に幅広いアプローチを適用

これらの製品により、Ethernetネットワークにおけるサージ保護への幅広いアプローチが可能になります。ADIN1100は、ロングリーチと低電力動作を保証し、ネットワークの堅牢な基盤として機能します。LTC9111およびLTC4296コントローラは、連動して電力供給を管理し、PDレベルとPSEレベルの両方でサージから保護します。MAX5974は、効率的なパワー変換を保証し、サージ事象中のエネルギー浪費の可能性を低減することで、このセットアップを補完します。

開発者はこれらの製品を協調して実装することにより、Ethernetネットワークのサージ保護機能を大幅に強化できます。この統合されたアプローチにより、ハードウェアが保護され、中断のない通信と業務の継続性が保証されます。

まとめ

Ethernetは産業用通信に大きな利点をもたらしますが、ケーブルが長くなると、高感度の電子機器がサージ事象に対して脆弱になります。開発者はAnalog Devicesの一連のデバイスと開発リソースを使用することで、サージ事象の影響に耐えられるEthernet接続を迅速に実装できます。