为恶劣工业环境中的以太网安装保驾护航

以太网简史

1972年，施乐帕洛阿尔托研究中心(PARC)首次开发出以太网。自此，以太网的灵活性使其成为备受欢迎的计算机网络接口。它有多种逻辑拓扑实现形式（星型、环型、总线型等），并使用互联网协议(IP)传输数据。以太网最初设计为通过同轴电缆以高达10 MB/秒(Mbps)的速度传输数据，经过数十年的标准化，不断演变并提高运行速度，从100 Mbps、1 Gbps直到最近的千兆级(MG)。以太网支持从非屏蔽双绞线(UTP)铜缆到光纤电缆等各种类型的介质。虽然最初旨在用于学术和商业场所的计算机网络，但其灵活性使其迅速适应了家庭和工业网络。表1显示了以太网标准的一些主要（非光纤）版本及其目标市场。

什么是“工业以太网”？

它与“普通”以太网有何不同？

“工业”以太网一词仅表示网络运行的位置，即工业环境。在物理层，家庭/办公室以太网和“工业”以太网的运行方式没有区别，它们使用相同的介质（电缆）和信号电压电平，并在网络节点传输或接收数据的时间和速度方面遵守相同的规则。这意味着在物理层，它们具有电气兼容性。两者之间的差异体现在更高的OSI层（网络层），这超出了以太网规范的范围。工业以太网使用不同的网络层协议，例如Profinet和以太网/IP，它们比互联网协议能够更好地满足工业操作的实时要求。其他差异在于将电缆连接到接口的连接器类型。以太网标准规定使用RJ45连接器，但在存在高电压/电流和大量重型设备的恶劣工业环境中，这些连接器有时可能容易因灰尘和湿气而损坏。一些制造商设计了具有更高稳健性（更好的机械和电气屏蔽）的连接器，以便适应这些条件，但这不属于任何以太网规范。除了连接器不同之外，基于工业以太网的设备通常使用可安装在35 mm DIN导轨上的器件，并可采用工业应用中常用的24 V直流电源运行。

保护以太网电路

最简单的以太网接口电路如图1所示。PHY（物理层的缩写）是管理以太网传输和接收数据的规则的集成电路。尽管电缆两端的电压电位存在差异，但隔离变压器可提供电气隔离，同时仍能发出信号。它们还提供一些针对瞬态浪涌和ESD事件的保护。共模扼流圈用于减少电缆中双绞线之间的电磁干扰(EMI)，这对于非屏蔽双绞线尤其重要。

对于如何实现变压器和CMC电路，有多种不同的选择：

► 集成磁性模块，包括变压器和CMC

► 集成连接器，包括RJ45连接器、变压器和CMC

感性器件的实现方式决定了ESD保护器件的布局和产品选择。如果隔离变压器PHY侧的中心抽头接地，则需要使用双向器件。最常见的情况是它保持悬空或通过电容接地。那么，单向和双向器件都可以使用。如图1所示，放置ESD保护器件有两种选择。首先，它可以放置在PHY和感性器件之间，这也适用于所有形式的集成感性器件。如果CMC和隔离变压器是独立的器件，则可以将ESD保护器件放置在CMC和隔离变压器之间，从ESD保护的角度来看，这是首选位置。无论哪种情况，此处所示的ESD保护器件需要放置在隔离变压器的PHY侧。

图1：磁性器件的实施会影响ESD器件的放置

Nexperia为所有以太网实施提供ESD保护

为了给设计人员提供最大的灵活性，Nexperia为以太网接口中磁性器件的每种实施提供了广泛的ESD保护器件（表2）。

表2：选择Nexperia的ESD保护器件来保护工业以太网

这些器件的主要特性包括多种封装选项（无引脚和有引脚），并且它们的电容值适合其设计时所遵守的以太网规范要求的运行速度。数据速率越高，电容越低，同时在恶劣的工业环境中仍提供高级别保护。

结论

工业以太网在电气方面与标准以太网相同，但工业环境更加恶劣，发生电压浪涌和ESD事件的可能性更大。