Discreta o integrata: esplorazione delle opzioni per la protezione front-end Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet (GbE) è un sistema di comunicazione ad alta velocità relativamente robusto e ampiamente utilizzato in ambito domestico, commerciale e industriale. Tuttavia, questa robustezza può essere messa a dura prova se il connettore viene colpito da una tensione transitoria inaspettata e di alto livello. Questi transitori possono essere causati da fulmini e scariche elettrostatiche (ESD). Senza protezione, il picco di tensione attraversa il connettore e può "friggere" rapidamente il silicio dello strato fisico (PHY) di GbE.

Non sorprende quindi che la progettazione del front-end GbE richieda un elevato grado di protezione. A tal fine, in genere si utilizza un trasformatore di isolamento. La specifica GbE (IEEE 802.3) definisce un isolamento minimo di 2,1 kV per il front-end GbE, ma la maggior parte dei trasformatori commerciali offre un isolamento da 4 a 8 kV. Un'ulteriore protezione per le interfacce GbE è rappresentata da una bobina di arresto di modo comune (CMC), un induttore utilizzato per bloccare la corrente alternata (c.a.) a frequenza superiore e contribuire a ridurre la gravità dei picchi ESD.

Una terminazione "Bob Smith" può aggiungere un ulteriore grado di protezione. Il progetto prende il nome da un brevetto, ormai scaduto, depositato da Robert W. Smith nel 1993. Tale brevetto copre "un apparecchio per la terminazione del cavo per ridurre al minimo le emissioni irradiate dal cavo e la suscettività del cavo alle interferenze esterne". Nelle applicazioni GbE, la terminazione Bob Smith utilizza in genere un resistore da 75 Ω per implementare un adattamento di impedenza di modo comune e contribuire a ridurre le emissioni di modo comune per coppie di segnali collegate collettivamente tramite un condensatore a terra (Figura 1).

Figura 1: La protezione contro i picchi di tensione e le scariche elettrostatiche per ciascun canale di un sistema Gigabit Ethernet comprende normalmente un trasformatore di isolamento, un CMC e una terminazione Bob Smith. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Confronto tra protezione GbE discreta e integrata

Il progettista ha a disposizione tre opzioni standard per implementare la protezione GbE. La prima opzione consiste nello scegliere il proprio trasformatore, il CMC, la terminazione Bob Smith e altri componenti di messa a terra e nel progettare il circuito per la scheda. I vantaggi sono la possibilità di massimizzare il livello di protezione scegliendo componenti di fascia alta, i risparmi che ne derivano rispetto ad altre opzioni e la soddisfazione di aver realizzato un progetto originale. Il rovescio della medaglia è che la progettazione è complicata, probabilmente richiederà tempo e i singoli componenti occuperanno più spazio delle soluzioni integrate.

La seconda opzione consiste nello scegliere un modulo che integri il trasformatore e il CMC in un unico componente. Il modulo potrebbe integrare diversi trasformatori e CMC in un unico componente per accogliere più canali. In questo caso i vantaggi sono il risparmio di spazio e un ciclo di progettazione più semplice, anche se potrebbe essere necessario includere la terminazione Bob Smith e altri componenti di messa a terra.

Würth Elektronik offre una gamma di moduli di questo tipo nella sua linea WE-LAN. Prendiamo in considerazione il dispositivo a montaggio superficiale (SMD) WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T 749020310. Questo componente protegge quattro canali e ha un'induttanza di 350 µH, un rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) differenziale su un campo di frequenza da 60 a 100 MHz di -30 dB e una tensione di prova di isolamento di 1500 V rms per un minuto.

La terza opzione consiste nel selezionare un connettore RJ45 con trasformatore e CMC integrati. Questo è il progetto più compatto. Il compromesso è la mancanza di flessibilità dei componenti front-end GbE. Un esempio di connettore RJ45 di questo tipo è il trasformatore WE-RJ45LAN 10/100/1000/10G Base-T 7499611420 di Würth Elektronik che integra quattro canali protetti, compresi trasformatori, CMC e persino resistori di terminazione da 75 Ω. Il connettore presenta un'induttanza di 120 µH, un CMRR differenziale su un campo di frequenza da 1 a 100 MHz di -28 dB e una tensione di prova di isolamento di 1500 V rms per un minuto (Figura 2).

Figura 2: 7499611420 di Würth Elektronik integra quattro canali del trasformatore di isolamento, CMC e protezione con resistore di terminazione. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Il risparmio di spazio derivante dall'uso del connettore RJ45 con protezione integrata è notevole e rende il componente utile per applicazioni con vincoli di spazio (Figura 3).

Figura 3: Rispetto ai componenti separati (a), l'integrazione della protezione GbE nel connettore RJ45 (b) elimina la necessità del modulo di protezione e consente di risparmiare spazio su scheda. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Test di compatibilità elettromagnetica

Ci si potrebbe chiedere se stipare i circuiti all'interno del connettore RJ45 non comprometta la protezione che offrono. La risposta è contenuta in un'ampia nota applicativa (ANP116), "Interfaccia Gigabit Ethernet dal punto di vista EMC" (in inglese), in cui Würth Elektronik testa i progetti di riferimento mostrati nelle Figure 3 (a) e (b).

Un punto importante è l'impatto che i cavi Ethernet possono avere sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) del sistema GbE. È emerso che il tipo di cavo non influisce in modo significativo sul comportamento EMC, ma i cavi non schermati (forse non a caso) presentano emissioni di interferenze più elevate e livelli di immunità ridotti (fino a 20 dB in meno) rispetto ai progetti schermati.

Questo per quanto riguarda i cavi... e gli assiemi front-end? Nella nota applicativa, Würth Elektronik conclude che i due progetti di riferimento differiscono nel comportamento di compatibilità elettromagnetica (EMC), soprattutto per quanto riguarda la tolleranza ai livelli di "burst" di alta tensione.

Questi burst si verificano quando la commutazione dei circuiti induttivi provoca scintillazione. L'interferenza del burst è fortemente abbinata alla struttura del conduttore Ethernet. Il progetto dell'interfaccia Ethernet discreta (modulo) è consigliato quando sono richieste prestazioni migliori in ambienti EMC con livelli di burst elevati.

A parte questa differenza di EMC quando sono soggetti a burst, il comportamento EMC dei due tipi è paragonabile ed entrambi i progetti superano costantemente i limiti di certificazione di Classe B della Federal Communications Commission (FCC) degli Stati Uniti per le apparecchiature residenziali in un campo di frequenza di 1 GHz di almeno 10 dB (Figura 4).

Figura 4: Confronto delle prestazioni EMC discrete (modulo) e integrate (connettore RJ45) (emissione di inferenza irradiata) con i limiti di certificazione FCC Classe B per le apparecchiature residenziali. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

La Figura 4 rappresenta lo scenario peggiore, con i cavi non schermati in una polarizzazione orizzontale dell'antenna. I cavi schermati riducono ulteriormente le emissioni.

Esperimento con opzioni di trasformatori utilizzando i kit di progettazione

Poiché la protezione dei circuiti per le installazioni GbE è obbligatoria, nel corso degli anni i componenti sono stati perfezionati e la progettazione dei circuiti è matura. Di conseguenza, i progetti di riferimento e i componenti discreti consentono all'ingegnere di costruire la propria implementazione, ma molte opzioni commerciali offrono soluzioni integrate.

Würth Elektronik offre il pratico kit di progettazione 749945, ricco di esempi di trasformatori WE-RJ45 LAN tra cui scegliere.

Conclusione

Le opzioni più diffuse per la protezione dei circuiti GbE comprendono moduli che integrano il circuito di protezione e sono situati tra il connettore RJ45 e PHY GbE, oppure connettori RJ45 che fanno a meno del modulo ospitando il circuito di protezione all'interno del loro involucro. La scelta si riduce a un compromesso tra spazio e flessibilità di progettazione front-end; entrambe le opzioni offrono una protezione comodamente entro i limiti di certificazione.