Wurth Elektronik: однопарный Ethernet для индустриальных приложений.

В статье представлен перевод документа компании Würth Elektronik eiSos по вопросам реализации однопарного автомобильного и промышленного Ethernet [1]. Публикация сопровождается некоторыми дополнениями и правками. описаны необходимые для однопарного Ethernet компоненты — от кабеля до входа микросхемы физического уровня PHY. основное внимание уделено проектированию фильтра электромагнитных помех для протоколов 10BAsE-T1L и 100BASE-T1, а также проблемам выполнения требований безопасности согласно стандарту IEC 62368-1.

Эволюция Ethernet — от четырех витых пар до одиночной витой пары

Начиная с 80-х годов прошлого века для компьютерных сетей промышленного назначения в качестве протокола связи наиболее часто стали использовать Ethernet и соответствующие ему стандарты. С тех пор основными элементами в корпоративных и промышленных сетях применяются медные кабели с двумя витыми парами для реализации Fast Ethernet и четырехпарными кабелями для Gigabit Ethernet. Однако эволюция сетей не стояла на месте, и сейчас благодаря новой технологии однопарного Ethernet — SinglePair Ethernet (SPE), внедренной в автомобильной промышленности, появилось множество новых вариантов их применения, в том числе для замены связи аналоговых датчиков или промышленных шин.

В 2019 году уже около 59% всех промышленных протоколов связи базировалось на локальной компьютерной сети LAN (LocalAreaNetwork — компьютерная сеть, покрывающая относительно небольшую территорию). В то же время довольно широко распространены и системы на основе таких полевых шин, как Profibus или CC-Link (Control and Communication — управление и связь). Если же говорить об Ethernet, хотя многие датчики или исполнительные механизмы (актуаторы) на производствен

ных объектах и не требуют высокой скорости передачи данных, но поскольку расстояние между этими устройствами и полевыми коммутаторами часто превышает 200 м, то Ethernet с максимальной длиной кабеля 100 м достигает границ своих возможностей.

Помимо необходимости в увеличении длины кабеля, стимулами для создания нового стандарта, выходящего за рамки многопарного Ethernet на основе RJ-45, стали снижение его веса, повышение стабильности механического подключения за счет более качественных разъемов и уменьшение размера печатной платы. Однопарный Ethernet (SPE) был разработан для удовлетворения этих рыночных требований и обеспечения IP-связи без ограничения на пути от облака к любым датчикам или исполнительным механизмам.

В данной статье, которая является переводом руководства по применению компании Würth Elektronik eiSos (далее — Würth Elektronik) [1], описаны необходимые для реализации однопарного Ethernet компоненты, от кабеля до входа микросхемы интерфейса физического уровня (далее — микросхемы PHY¹). Основное внимание уделено выбору оптимального схемотехнического решения фильтра электромагнитных помех (ЭМП) для протоколов 10BASE-T1L и 100BASE-T1 и выполнению требований безопасности связи согласно стандарту IEC 62368-1. Оценка характеристик эффективности компонентов в целом проиллюстрирована на примере в виде экспериментальных печатных плат.

SPE — аппаратное обеспечение и компоненты

Новый физический уровень SPE нуждается в новых компонентах, таких как кабельные разъемы (один из примеров представлен на рис. 1), трансформаторы и катушки индуктивности, микросхемы, полупроводниковые приборы, в частности элементы защиты, и другие устройства. В последние годы международные организации по стандартизации и связанные с SPE компании вложили много времени и средств, чтобы сделать все эти компоненты максимально доступными. Основные стандарты SPE также определены и общедоступны.

Рис. 1. Версия разъема SPE согласно IEC 63171-6 со степенью защиты IP20 от компании Harting

Поскольку стандарты приняты, а базовые компоненты готовы к использованию, то разработка новых устройств с возможностью подключения SPE из научной идеи превратилась в реальность. Что касается технических требований, они указаны в следующих стандартах IEEE:

• IEEE 802.3cg (10BASE-T1) с полосой пропускания 0,1-20 МГц и дальностью связи до 1000 м;
• IEEE 802.3bw (100BASE-T1) с полосой пропускания 0,3-66 МГц и дальностью связи до 40 м;
• IEEE 802.3bp (1000BASE-T1) с полосой пропускания 1-600 МГц и дальностью связи до 40 м.

Кабель

Кабель служит непосредственной линией передачи данных. В зависимости от необходимой скорости передачи и длины линии в настоящее время для SPE доступны два стандартных типа кабелей. Для сетей 10 Мбит/с с передачей до 1000 м конструкцию кабеля регламентируют следующие стандарты:

• IEC 61156-13 — кабель передачи данных SPE с полосой пропускания до 20 МГц для стационарной установки;
• IEC 61156-14 — кабель передачи данных SPE с полосой пропускания до 20 МГц для гибкой установки.

Для сетей 1 Гбит/с с передачей до 40 м конструкцию кабеля определяют следующие стандарты:

• IEC 61156-11 — кабель передачи данных SPE с полосой пропускания до 600 МГц для стационарной установки;
• IEC 61156-12 — кабель передачи данных SPE с полосой пропускания до 600 МГц для гибкой установки.

По сравнению с традиционными промышленными кабелями Ethernet категории 5е с четырьмя парами для передачи на скоростях до 1 Гбит/с наблюдается значительное уменьшение диаметра и веса кабеля. Более подробная информация по кабелям приведена в таблице 1.

Все эти кабели предназначены для того, чтобы обеспечить необходимую устойчивость к внешним помехам для 40-м 1GBASE-T1 и 1000-м 10BASE-T1L, дополнительно экранированы, как это показано на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция типичного кабеля SPE: 1 — медный провод; 2 — изоляция жилы; 3 — экранирующая фольга; 4 — экранирующая оплетка; 5 — внешняя оболочка

В зависимости от конкретного варианта использования кабеля возможны различные материалы оболочки. Поперечное сечение медного кабеля следует выбирать в соответствии с необходимой длиной линии и требованиями к питанию по линии передачи данных (технология PoDL — Power over DataLine). Для линий связи длиной до 20 и 40 м обычно применяются провода сортаментов AWG26 и AWG22 соответственно. Для более длинных линий связи, до 1000 м, понадобятся кабели AWG16 или AWG18.

При этом для реализации по одной паре скорости передачи 1 Гбит/с стандартами SPE регламентируются довольно высокие электрические свойства кабеля. К ним относятся вносимые потери (insertion loss, IL), S-параметры, возвратные потери или потери на отражение (return loss, RL) и устойчивость к внешним помехам, определяемым как межкабельные наводки (alien crosstalk, AXT) в диапазоне частот до 600 МГц.

Вносимые потери описываются как логарифмическое соотношение (в децибелах, дБ) между мощностью, подаваемой в кабель, и мощностью, переданной по линии. Высокие требования к вносимым потерям необходимы для реализации длинных линий передачи SPE.

Обратные потери и волновое сопротивление (характеристическое сопротивление, импеданс) кабеля важны для оценки отражения всей системы. Отражения — это помехи на линии, возникающие при отражении собственного сигнала от имеющихся в ней однородностей. Такие помехи могут мешать и передатчикам, и приемникам. Чтобы минимизировать отражения, вся система SPE должна иметь одинаковое характеристическое сопротивление 100 Ом при низких значениях потерь на отражение.

Для кабелей с более чем одной парой перекрестные помехи описывают сигналы, передаваемые между парами по индуктивной и емкостной связи. В общем случае перекрестные помехи мешают передаче полезных сигналов по линии. Здесь SPE имеет то преимущество, что для него не может быть перекрестных помех от других пар, но SPE приходится иметь дело с внешними перекрестными помехами — ANEXT (alien external crosstalk), которые возникают от других кабелей в ближней окружающей среде. Для защиты передачи от помех промышленные кабели ANEXT SPE должны быть хорошо экранированы комбинированным экраном из фольги и оплетки.

Таблица 1. Сравнение размеров кабеля для SPE

Экран из фольги обеспечивает высокую эффективность защиты от высокочастотных электромагнитных полей. Плетеный экран используется для механической стабилизации и снижения интенсивности волн низкочастотных электромагнитных полей. Эффективность оплетки зависит от толщины отдельных проводов и степени покрытия. Кабели SPE, предназначенные для промышленных сред, должны обеспечивать покрытие не менее 85%. Оплетка кабеля также в основном определяет значения волнового сопротивления экранированного кабеля.

Эффект экранирования кабеля действует в обоих направлениях. Это означает, что затухание, вносимое экранированием, снижает как излучение электромагнитных помех (ЭМП) непосредственно от самого кабеля, так и проблемы ЭМП от других устройств, воздействующих на кабель извне.

Разъемы

Разъемы являются не менее важной частью линий передачи данных, чем кабели, тем более что для SPE нужны совершенно иные типы разъемов, в отличие от тех, что прежде использовались для промышленного Ethernet. Эти разъемы меньше по размеру, чем типичный RJ-45, но обладают такой же надежностью, как и часто применяемые индустриальные разъемы типа M12 с D- и X-кодировкой. Новые типы разъемов для SPE определены в стандарте IEC 63171-6 и для очень жестких условий эксплуатации в индустриальной среде имеют различные версии в исполнении M8/M12, а также разъем с классом защиты оболочкой IP20 для использования в шкафу. Варианты разъемов для нужд SPE представлены на рис. 3.

Рис. 3. Рекомендуемые согласно IEC 63171-6 разъемы SPE

Все эти типы разъемов основаны на одних и тех же клеммных вставках и отличаются надежной системой контактов штыря вилки и гнезда розетки. Модульная концепция конструкции с идентичными клеммными вставками во всех версиях позволяет соединять для тестирования или настройки вилки исполнения IP20 с розетками исполнения IP65/67.

Такие серии разъемов SPE рассчитаны на рабочее напряжение 60 В постоянного тока 4 А при температуре до +60 °C и соответствуют регламентам для всех классов PoDL. В жестких промышленных условиях, когда сильно влияние внешних ЭМП, разъемы, отвечающие требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС), имеют полную экранирующую оболочку. Такое решение, реализованное с помощью четырех контактов, через отверстие для пайки обеспечивает надежное подключение экрана розетки к заземляющим проводникам или слоям печатной платы (рис. 4).

Рис. 4. Подключение экрана разъема к заземлению на печатной плате

Как можно видеть, конструкция сопрягаемой поверхности разъема симметрична, контакты расположены параллельно и имеют одинаковую физическую длину, что обеспечивает и одинаковую электрическую длину сигнальных цепей, а соответственно, и одинаковую задержку распространения сигнала. Это позволяет избежать различий во времени передачи сигналов по дифференциальной паре. Такая конструкция разъемов, выполненная с учетом ее использования в области высоких частот, позволяет передавать сигналы согласно требованиям спецификации стандарта 1000BASE-T1.

Если же двухпроводная система не может обеспечить передачу необходимой мощности или по каким-либо причинам передача питания и сигналов по одной и той же паре не оптимальна, здесь могут использоваться и гибридные решения. Пример такого решения приведен в [3].

Топологии фильтров

Зависимый от среды интерфейс (Medium Dependent Interface, MDI) — это интерфейс между физической средой локальной компьютерной сети и модулем сопряжения со средой. Он формирует соединение между кабелем и физической средой, то есть микросхемой PHY, которая выполняет функцию интерфейса и генерирует биты из сигналов данных и передает их для дальнейшей обработки.

Пассивные компоненты MDI выполняют различные задачи, такие как правильная пересылка сигналов данных, подавление помех, электрическая изоляция или передача электроэнергии мощностью до 60 Вт в случае передачи мощности по линии передачи данных (PoDL).

Для того чтобы гарантировать безошибочную передачу данных, в различных стандартах IEEE 802.3 определены пределы для обратных потерь и потерь преобразования режима (Mode Conversion Loss). Потери преобразования режима измеряются непосредственно в MDI и представляют собой отношение мощности дифференциального сигнала, отраженного из-за несоответствия импеданса, и мощности синфазного сигнала, то есть характеризуют преобразование дифференциального сигнала в синфазный, и наоборот. Эти потери и сопутствующие им помехи возникают из-за асимметрии всего тракта передачи сигнала. Фактически же измеряются потери поперечного преобразования (transverse conversion loss, TCL), потери из-за омической асимметрии и потери поперечного преобразования при передаче (equallevel transverse conversion transfer loss, ELTCTL). TCL и ELTCTL относятся к важнейшим измерениям, включенным в стандарты кабельных систем. Они определяют качество баланса кабеля и служат ключевыми показателями при определении помехоустойчивости и замерах влияния электромагнитных помех.

На рис. 5 сохранена терминология оригинала статьи [1] и показаны ограничения MDI для 10BASE-T1 согласно IEEE 802.3cg и 100BASE-T1 согласно IEEE 802.3bw.

Рис. 5. Максимально допустимые уровни обратных потерь и потерь преобразования режима для MDI 10BASE-T1 (показаны красным) и 100BASE-T1 (показаны голубым)

Основы построения

В автомобильном секторе уже имеются готовые принципиальные схемы однопарного Ethernet для 100BASE-T1 с синфазным дросселем, двумя разделительными конденсаторами и схемой терминации для подавления внешних синфазных помех, наводящихся на кабель. Пример такой схемы приведен на рис. 6.

Рис. 6. Схема однопарного Ethernet для автомобильного Ethernet 100BASE-T1

Синфазный дроссель (Common Mode Choke, CMC) не только обеспечивает фильтрацию мешающих синфазных сигналов, но и помогает уменьшить потери в режиме преобразования и в определенных частотных диапазонах — обратные потери. Из-за более низкой частоты среза для 100BASE-T1, равной 1 МГц, полное сопротивление дросселя должно быть высоким на низких частотах и, если возможно, охватывать более высокие частоты до 200 МГц. Количество витков обмоток и размер сердечника, соответственно, будут больше.

Схема согласования относительно «земли» (GND) обычно состоит из трех резисторов и одного конденсатора. Два резистора, R1 и R2, номинальным сопротивлением 1 кОм (здесь и далее — рис. 6) являются терминацией — нагрузкой, сбалансированной с «землей», задача которой — уменьшение проникновения в линию помех от синфазных наводок и их излучения. Последние, как уже было сказано, при наличии рассогласования из-за неидеальности линии преобразуются в дифференциальные, и наоборот.

Конденсатор C3 емкостью 100 нФ с разрядным резистором R3 сопротивлением 100 кОм обеспечивает развязку по постоянному току, замыкая сигналы переменного тока на «землю». Конденсаторы С1, С2 обычно имеют емкость 100 нФ при рабочем напряжении 50 В, они сравнительно малы по габаритам и недороги. Такие конденсаторы используются в локальных автомобильных сетях с низким напряжением при максимальной длине кабеля до 15 м.

Требования по гальванической изоляции

Для оборудования, не относящегося к автомобильному, стандарт IEEE 802.3 устанавливает требования к изоляции для систем сигнализации согласно стандарту IEC 62368-1², что соответствует устойчивости к напряжению 1500 В переменного тока в течение 60 с. Допускается также испытание напряжением 2250 В постоянного тока в течение 60 с или подачей определенных импульсов испытательного напряжения. Естественно, столь высокие напряжения не могут поддерживаться конденсаторами, рассчитанными на рабочее напряжение 50 В, поэтому разработчикам необходимо искать альтернативные пути. Как вариант устранения проблемы изоляции и гальванической развязки в следующем разделе описывается решение с использованием разделительного трансформатора. Подробные измерения и сравнение данного решения по отношению к конденсаторам с напряжением 2000 В приведены в разделе «Автомобильные и индустриальные решения SPE, сравнение производительности».

Частотный диапазон 1-66 МГц, определенный для SPE 100BASE-T1, практически совпадает с диапазоном частот Gigabit Multipair Ethernet (1-62,5 МГц). Поэтому вполне очевидно, что схему для SPE можно разработать на основании электрической принципиальной схемы Gigabit Ethernet, как это показано на рис. 7.

Рис. 7. Электрическая принципиальная схема SPE с трансформаторной гальванической развязкой для SPE 100BASE-T1

Центральным элементом схемы служит импульсный трансформатор, который предназначен для передачи сигналов и поддерживает гальваническую развязку и в идеале не оказывает негативного влияния на сигналы данных. То есть обеспечивает их целостность. Трансформатор подключен с конденсаторами на центральных отводах, в свою очередь подсоединенными к «земле» (GND). Имеющийся в схеме синфазный дроссель выполняет свою привычную функцию подавления синфазных помех. Чтобы обеспечить защиту от импульсов электростатического разряда, между синфазным дросселем и микросхемой PHY установлен TVS-диод. Подавление электростатического разряда будет еще лучше, если TVS-диод расположен между разъемом и трансформатором. Однако, чтобы не вызвать короткого замыкания между сигнальными контактами и GND во время высокоскоростных тестов, диод должен быть отключен. Такое решение допускается во время испытаний стандартом IEC 62368-1. В следующем разделе отдельные компоненты схемы будут описаны более подробно.

Особенности выбора трансформатора для гальванической развязки

Для SPE выбран трансформатор компании Würth Elektronik серии WE-STST [4] (рис. 8). Его компактная конструкция по сравнению с традиционными трансформаторами LAN, а также высокая индуктивность 350 мкГн обеспечивают хорошие характеристики сигнала даже на более низких частотах, чем предусмотрено для SPE 100BASE-T1. Кроме того, он разработан для технологии поверхностного монтажа и полностью изготавливается на автоматической линии, что гарантирует минимальный разброс характеристик.

Рис. 8. Внешний вид и габаритные размеры трансформаторов серии WE-STST

Трансформатор состоит из сердечника, выполненного на основе марганец-цинково-го (Mn-Zn) феррита, с бифилярными первичной и вторичной обмотками, которые для обеспечения индуктивной связи расположены друг над другом. Изоляция обеспечивается эмалевым покрытием проводов как на первичной, так и на вторичной стороне. Из-за прямой индуктивной связи и передаточного отношения 1:1 дифференциальные сигналы передаются с очень низким затуханием, а напряжение постоянного тока блокируется. Помимо гальванической развязки, сигнальный трансформатор должен передавать данные в диапазоне частот 1-66 МГц, предусмотренном для однопарного Ethernet 100BASE-T1. Для 10BASE-T1 с частотами 0,1-20 МГц можно использовать такой же трансформатор. Параметрами целостности сигнала являются возвратные и вносимые потери (Sdd11 и Sdd21). При этом во всем частотном диапазоне сигнала вносимые потери не должны превышать 3 дБ. Графики зависимости потерь для трансформаторов серии WE-STST компании представлены на рис. 9. Более подробную информацию о трансформаторах компании Würth Elektronik серии WE-STST можно найти в [5].

Рис. 9. Вносимые потери (показаны красным) и возвратные потери (показаны черным) трансформаторов серии WE-STST компании Worth Elektronik

Терминация трансформатора для подавления синфазных сигналов

Насколько хорошо отфильтровываются синфазные сигналы, указывает такой параметр трансформатора, как коэффициент подавления синфазного сигнала (common mode rejectionratio, CMRR). Хотя он и не нормируется в стандартах IEEE 802.3cg и IEEE 802.3bw, но на практике важно достичь хороших значений CMRR во всем диапазоне частот, ведь синфазные сигналы становятся основной причиной нарушения целостности сигнала при передаче. Поскольку CMRR трансформатора в значительной степени зависит от межобмоточной емкости трансформатора, его значения можно значительно улучшить, подключив центральный отвод трансформатора к земле (GND). Типовой вариант терминации (рис. 7) обеспечивает для синфазных сигналов путь с низким сопротивлением при соединении центрального отвода с «землей». Со стороны кабеля соединение с GND состоит из резистора R1, подключенного к «земле» последовательно с конденсатором емкостью 1 нФ. Резистор R1 сопротивлением 100 Ом является нагрузочным для сигнала SPE и выполняет необходимую терминацию (завершение), в то время как конденсатор С1 обеспечивает путь с низким сопротивлением к «земле» и для реализации гальванической развязки выбран с рабочим напряжением 2 кВ.

Конденсатор C2, установленный от центрального отвода первичной обмотки трансформатора (рис. 7), выполняет сразу две задачи. Во-первых, предотвращает короткое замыкание напряжения смещения PHY на GND. Во-вторых, обеспечивает ВЧ-соединение с «землей» так, что синфазные помехи на входе хорошо подавляются. А вот симметризация сигналов около 0 В происходит на вторичной стороне трансформатора. Это удобно, и потому мы здесь имеем дело только с сигналом переменного напряжения, а напряжение смещения постоянного тока блокируется. Если обратиться к [5], то в дополнение к рис. 7 можно увидеть, что на средний вывод первичной обмотки сигнального трансформатора подается напряжение, зависящее от используемой микросхемы PHY.

Помимо подключения ответвлений от центральных выводов к «земле», параметры, определяющие подавление синфазной составляющей трансформатором, также зависят от его неидеальности. Путем наложения обмоток индуктивность рассеяния будет сохраняться на минимально возможном уровне, однако это увеличивает паразитную емкость между обмотками. Влияние паразитных эффектов может быть сведено к минимуму путем выбора изоляционного материала (в большей степени его толщины) и взаимного расположения обмоток. Однако при грамотном проектировании непосредственно самой схемы сопряжения линии передачи и принятии ряда конструктивных решений трансформатор можно использовать в диапазоне частот выше 60 МГц.

Подавление ЭМП синфазным дросселем

Назначение синфазного дросселя (его еще называют дросселем с компенсацией тока, поскольку синфазные токи в его обмотках вычитаются) — сбалансировать сигнал, то есть симметрировать сигнал таким образом, чтобы синфазная помеха вычиталась и не мешала передаваемой информации, которая, как известно, специально передается дифференциальными сигналами. Для достижения этой цели синфазные помехи должны быть не просто удалены, а удалены так, чтобы в конечном счете они не повлияли на целостность дифференциального сигнала. Вот почему в желаемом диапазоне частот использование синфазного дросселя с большим синфазным, но при этом обладающим крайне малым дифференциальным импедансом, имеет важное значение.

На основе графиков, приведенных в спецификации, и зная ограничения для каждого из протоколов Ethernet, для подавления синфазных ЭМП для 100BASE-T1 был выбран синфазный дроссель семейства WE-CNSW [6] компании Würth Elektronik с номером заказа 744232222 (в документации компании этот компонент позиционируется как Common Mode Line Filter, то есть «синфазный линейный фильтр»). Дроссели семейства WE-CNSW представляют собой компенсированный линейный фильтр линии передачи данных, обеспечивают высокое подавление синфазных помех на высоких частотах и благодаря высокой симметрии обмотки оказывают малое влияние на высокоскоростные сигналы. Дроссель 744232222 поставляется в корпусе типоразмера 1206 и имеет импеданс, близкий к 50 Ом на частоте 1 МГц и 2200 Ом на частоте 100 МГц.

Выбор синфазного дросселя влияет и на упомянутые ранее помехи от потерь преобразования режима. Чем больше количество витков в дросселе при одной и той же технологии обмотки, тем выше помеха преобразования между дифференциальным и синфазным режимами и тем сильнее это отражается на целостности сигнала. Другими словами, в некоторых диапазонах частот часть дифференциального сигнала будет преобразована в синфазный.

Таблица 2. Электрические характеристики синфазного дросселя 744232222 семейства WE-CNSW

Характеристики дросселя 744232222 семейства WE-CNSW компании Würth Elektronik представлены в таблице 2, а его внешний вид и графики зависимости импедансов от частоты — на рис. 10.

Рис. 10. Внешний вид вариантов синфазных дросселей серии WE-CNSW компании Worth Elektronik и графики зависимости импедансов от частоты для дросселя исполнения 744232222

Защита интерфейса от воздействия электростатического разряда

Благодаря особенностям технологии изготовления и своей конструкции современные микросхемы не могут производиться с устойчивостью к высоким напряжениям. Это проблему могут решить специальные помехоподавляющие компоненты — TVS-диоды (TVS — Transient Voltage Suppresser, буквально «подавитель переходных процессов»). Без риска быть поврежденными они могут ограничивать перенапряжения, в том числе и из-за воздействия электростатического разряда (ESD — electro static discharge), до уровня, уже не критичного для микросхем PHY и не имеющего тенденции к проникновению в другие цепи. Однако тут есть проблема: помимо ограничения напряжения важно, чтобы TVS-диоды не влияли на целостность сигнала.

Для того чтобы гарантировать целостность сигнала данных SPE, паразитная емкость TVS-диода не должна превышать 2 пФ. С этой целью компания Würth Elektronik выпустила серию высокочастотных TVS-диодов под названием WE-TVS SuperSpeed. Они представляют собой не единичный компонент, а сборки (их еще называют «матрицы»), в составе которых имеется один или несколько TVS-диодов, и эффективно защищают вход электронной аппаратуры от воздействия электростатических импульсов в соответствии с EN 61000-4-2³. Кроме того, из-за их сверхнизкой собственной емкости (<0,6 пФ) они практически «невидимы» для данных, передающихся с очень высокой скоростью [7].

Для оценки системы SPE, предлагаемой в рамках статьи, была выбрана TVS-диодная микросхема компании Würth Elektronik (номер в каталоге для заказа 824012823), которая может быть подключена к двум контактам для входа сигнала (IO 1 и IO 2). Микросхема выполнена в корпусе DFN1210-6L размером лишь 1,2x1 мм. Встроенный TVS-диод подходит для сигналов данных с пиковым напряжением не более 3,3 В и имеет входную емкость, не превышающую 0,27 пФ. Такая микросхема гарантирует защиту от прямого (контактного) разряда напряжением 8 кВ и воздушного 15 кВ как в положительной, так и в отрицательной полярности, что позволит эффективно защитить микросхему интерфейса SPE. Схема и внешний вид TVS-диодной микросхемы компании Würth Elektronik 824012823 представлены на рис. 11.

Рис. 11. Схема и внешний вид TVS-диодной микросхемы компании Worth Elektronik 824012823

На частоте 10 ГГц у этой TVS-диодной микросхемы значение вносимых потерь составляет +1,57 дБ, а потому она практически не видна для сигнала данных. На рис. 12 показано ограничение напряжения электростатического разряда, для моделирования которого использовался метод тестирования, именуемый «Импульс линии передачи» (Transmission Line Pulse, TLP). Он применяется согласно IEC 61000-4-2 (и ГОСТ 30804.4.2 соответственно) для моделирования импульсов воздействия с малой длительностью и высокой скоростью нарастания, то есть аналогичных воздействию ESD. В нашем случае это означает переход от 0 до 13,5 A с импульсами длительностью 100 нс. Например, импульс электростатического разряда 4 кВ согласно IEC 61000-4-2 через 30 нс генерирует ток 8 А. Использование TVS-диодной микросхемы 824012823 от компании Würth Elektronik приводит к ограничению напряжения на уровне 6 В. Таким образом, на сигнальном контакте ИС будет лишь 6 В вместо 4 кВ.

Рис. 12. Измерения при воздействии импульса напряжения, генерируемого методом импульса линии передачи

В общем, лучший подход — разместить микросхему с TVS-диодом как можно ближе к разъему. Потому что высокочастотный импульс электростатического разряда может легко наводиться на другие сигнальные линии, хотя сам TVS-диод во время тестирования импульсом высокого напряжения будет находиться в режиме низкого сопротивления. Чтобы избежать коротких замыканий и разрушения диода током во время высокоточных испытаний между сигнальными выводами и GND, диод либо помещается между трансформатором и микросхемой PHY, либо (если он размещен между розеткой и трансформатором) во время теста отключается от заземления (GND).

Автомобильные и индустриальные решения SPE, сравнение производительности

Для того чтобы иметь возможность оценить характеристики схемы гальванической развязки на основе трансформатора, в этом разделе она сравнивается с двумя другими схемами. В первой схеме для гальванической развязки используются конденсаторы емкостью 100 нФ, рассчитанные на рабочее напряжение 50 В и предназначенные для автомобильных решений локальной сети Ethernet. Во второй схеме установлены конденсаторы емкостью 100 нФ с рабочим напряжением 2 кВ, что характерно для индустриальных приложений. Высокие требования к обратным потерям 10BASE-T1 и потерям преобразования режима 100BASE-T1 приводят к различным вариантам конструкции. Различия между 10BASE-T1 и 100BASE-T1 в основном заключаются в наличии или отсутствии синфазных дросселей для фильтрации синфазных ЭМП. Для SPE 10BASE-T1 применяется принципиальная схема с двумя параллельными конденсаторами, как это было описано ранее.

В случае 10BASE-T1 нижняя частота сигнала составляет 100 кГц, кроме того, в этом варианте необходимо выбрать синфазный дроссель с низкой резонансной частотой. Синфазный дроссель семейства WE-SL5 компании Würth [8] исполнения 744272222 (в документации компании этот компонент, так же как и дроссели семейства WE-CNSW, именуется Common Mode Line Filter, то есть «синфазный линейный фильтр») не только обеспечивает подавление синфазного сигнала, но и оказывает положительное влияние на возвратные потери и потери преобразования режима. Из-за низкой частоты среза, малых габаритных размеров (10x8,7 мм) и высокого значения индуктивности (2x2200 мкГн) синфазного дросселя его характеристики подавления синфазных ЭМП весьма хороши, а отрицательное влияние на целостность сигнала практически отсутствует. Характеристики подавления синфазного сигнала дросселя 744272222 семейства WE-SL5 компании Würth показаны на рис. 13.

Рис. 13. Внешний вид вариантов синфазных дросселей серии WE-SL5 компании Würth Elektronik и графики зависимости импедансов от частоты для дросселя исполнения 744272222 для 10BASE-T1

Более компактным, но электрически эквивалентным решением для 10BASE-T1 является вариант с трансформатором, как это показано на рис. 14. В отличие от схемы, приведенной на рис. 7, для SPE при скорости передачи 10 Мбит/с синфазный дроссель не требуется. Причина — достаточно хорошее подавление помех трансформатора на низких частотах. Еще одним отличием является наличие конденсатора C3 на двух центральных выводах, который увеличивает полосу пропускания трансформатора до 35 кГц и, таким образом, помогает улучшить возвратные потери на низких частотах.

Рис. 14. Решение для 10BASE-T1 с трансформатором

Поскольку далеко не у всех типов трансформаторов есть возможность разделить вторичную обмотку на две равноценные части, то вместо конденсатора C3 на внешних выводах трансформатора могут использоваться два конденсатора (рис. 15), что необходимо для достижения гальванической развязки. Хотя такое решение и минимально увеличивает схему, зато она может использоваться для приложений с питанием через линию данных по технологии PoDL. Для PoDL напряжение на обоих конденсаторах уменьшается вдвое, что предотвращает снижение их емкости в зависимости от напряжения смещения. Последнее характерно для многослойных керамических конденсаторов относительно большой емкости с диэлектриками X5R и X7R. Если передаются только данные, достаточно конденсаторов с рабочим напряжением 25 В, тогда как для решений PoDL понадобятся конденсаторы с рабочим напряжением 100 В.

Рис. 15. Конденсаторы C4 и C5 на внешних выводах трансформатора как альтернатива использованию конденсатора C3

Помимо рабочего напряжения конденсаторов, для обеих принципиальных схем, приведенных на рис. 14 и 15, также важна и их емкость. Для того чтобы соответствовать ограничениям, наложенным в стандарте IEEE 802.3cg, моделирование и измерения приводят нас к минимальному значению емкости конденсаторов, равному 100 нФ. Однако в разделе 146.5.4.2 стандарта указывается, что падение уровня выходного сигнала при передаче для тестового сигнала микросхемы PHY в интервале 133,3-800 нс не должно превышать 10%. Чтобы удовлетворить это требование, можно пойти двумя путями. Либо повысить индуктивность трансформатора, что означает увеличение его габаритов, либо использовать конденсаторы с большими значениями емкости. Второй вариант компактнее, дешевле и проще в реализации. В этом случае для достижения наилучшего компромисса между требованиями к падению напряжения и возвратными потерями можно установить конденсаторы с номинальной емкостью 470 нФ. Что подтверждается осциллограммой, приведенной на рис. 16. Как можно видеть, такое решение схемы обеспечивает падение напряжения около 8,3% и, следовательно, гарантирует его соответствие требованиям стандарта.

Рис. 16. Осциллограмма измерения падения напряжения

На рис. 17 показаны различия в размерах разных схем. Из двух конструкций для 10BASE-T1, выполненных на печатной плате, решение с синфазным дросселем занимает больше всего места. Относительно велики и решения с конденсаторами, рассчитанными на рабочее напряжение 2 кВ, и с конденсаторами номинальной емкостью 100 нФ.

Рис. 17. Требуемое место на печатной плате фильтров SPE 10BASE-T1 для трех вариантов исполнения

SPE 10BASE-T1:результаты тестирования

Как показывает измерение потерь на отражение, значения, которые представляют конденсаторные решения, на рис. 18 они выделены серым и черным цветом, почти точно расположены друг над другом. Значения для обоих решений между частотами 100 и 200 кГц очень близки к пределу, установленному стандартом IEEE. Гораздо лучшие значения достигаются при использовании трансформатора (красная кривая), что также дает лучшие результаты, чем решение с конденсатором, и на более высоких частотах, начиная от 5 МГц.

Рис. 18. Измерение обратных потерь для фильтра SPE 10BASE-T1

При этом все три варианта показывают очень хорошие значения потерь на преобразование режима (рис. 19). На рисунке видно, что расстояние между целевым и фактическим значениями всегда находится в пределе 30-40 дБ. Однако если смотреть правде в глаза, то конденсаторные решения все же несколько лучше ведут себя в диапазоне частот 0,1-6 МГц, а решение с трансформатором — в диапазоне 6-20 МГц.

Рис. 19. Измерение потерь преобразования режима 10BASE-T1

SPE 100BASE-T1: результаты тестирования

Вариант с конденсатором на рабочее напряжение 50 В соответствует принципиальной схеме, приведенной на рис. 6. По сравнению с решением для 10BASE-T1 (поскольку подавление помех на низких частотах в диапазоне 0,1-1 МГц не требуется) размер синфазного дросселя для 100BASE-T1 может быть намного меньше. Из-за уменьшения размера синфазного дросселя решение на 50 В является теперь самым компактным из трех конструкций, представленных на рис. 20.

Рис. 20. Требуемое место на печатной плате фильтров SPE 100BASE-T1 для трех вариантов исполнения

Как можно видеть на рис. 20, конструкция с конденсатором на рабочее напряжение 2 кВ значительно меньше из-за меньшего размера дросселя, но с точки зрения занимаемой площади она по-прежнему остается самой большой из всех конструкций (рис. 20). Впрочем, за исключением больших по габаритам и рабочему напряжению конденсаторов, здесь нет каких-либо отличий от решения автомобильного варианта Ethernet с конденсаторами на напряжение 50 В.

Таблица 3. Перечень использованных для исследования компонентов

   В отличие от 10BASE-T1, поскольку необходимо обеспечить подавление помех на частотах до 200 МГц, конструкция с трансформатором требует наличия синфазного дросселя. Синфазный дроссель подавляет как преобразование режима, так и синфазные сигналы на более высоких частотах. Результаты измерений для SPE 100BASE-T1 более подробно описаны в следующем разделе.

Измерения

Рис. 21. Измерение возвратных потерь для фильтра SPE 100BASE-T1

При измерении обратных потерь значения в области частот 1-20 МГц ближе к номинальной кривой в трансформаторном решении, чем в двух других конструкциях, при этом конденсатор с рабочим напряжением 2 кВ показывает наилучшие результаты (рис. 21). В целом, значения всех графиков измерения находятся на достаточном расстоянии от предела, установленного для обратных потерь, с запасом не менее чем в 3 дБ. В случае потерь преобразования режима измеренные значения в решении с конденсаторами на рабочее напряжение 50 В для диапазона 25 МГц очень близки к пределу стандарта IEEE, а в некоторых случаях практически превышают его. Решение на основе трансформатора и решение с конденсаторами на 2 кВ представляются здесь лучшей альтернативой. В этом диапазоне частот графики, описывающие результаты измерения, имеют значительно большее расстояние от кривой номинальных значений (около 3 дБ). Все результаты показаны на рис. 22.

Рис. 22. Измерение потерь преобразования режима для фильтра SPE 100BASE-T1

Заключение

Для обоих вариантов конденсаторов ожидаемые допуски компонентов означают, что нельзя гарантировать, что возвратные потери фильтра будут соответствовать требованиям IEEE 802.3cz для 10BASE-T1. Кроме того, занимаемая ими площадь по сравнению с трансформатором больше из-за наличия синфазного дросселя, а в решении с конденсатором на 2 кВ — значительно больше.

Для решения 100BASE-T1 вариант с конденсатором на 50 В оказывается лишь частично подходящим для удовлетворения требований к потерям преобразования в режиме на частотах, превышающих 30 МГц. Даже если не учитывать обязательную гальваническую развязку согласно IEC 62368-1, трансформаторное решение здесь является наиболее компактным, а с точки зрения стабильности сигнала оптимальным решением для однопарного Ethernet — как 10BASE-T1, так и 100BASE-T1. Для справки в таблице 3 приведены данные обо всех использованных в исследовании компонентах.

Литература

1. Vornhagen F., Leihenseder M., Demharter R., Alba I. M., Mark S., Bustos J., Fritsche M. Single Pair Ethernet for Industrial Applications. ANP085a. Würth Elektronik eiSos, 2021. 

2. Дикманн Й. Стандартизация однопарного Ethernet: соединитель SPE от HARTING // Control Engineering Россия. 2019. Сентябрь.

3. Рентюк В., Штрапенин Г. Как обеспечить более высокие уровни мощности для однопарного Ethernet? Ответ есть: использовать комбинированный подход с новым разъемом от TE Connectivity // Компоненты и технологии. 2021. № 4.

4. WE-STST Super Tiny Signal Transformer. 

5. Бустос Х., Шиллингер Р., Марк С., Чен А. Краткое руководство по разработке индустриального Ethernet с использованием трансформаторов WE-STST компании Würth Elektronik // Компоненты и технологии. 2020. № 7.

6. WE-CNSW HF SMT CommonModeLineFilter. 

7. Шиллингер Р., Блейки Р. Эффективная фильтрация и защита порта USB 3.1 // Компоненты и технологии. 2019. № 8, 9.

8. WE-SL5 SMT Common Mode Line Filter. 

Опубликовано в журнале «Компоненты и Технологии» № 5, 2021