Discreto o integrado: Exploración de opciones para la protección de front-end de Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet (GbE) es un sistema de comunicación relativamente robusto y de alta velocidad ampliamente utilizado en instalaciones domésticas, comerciales e industriales. Sin embargo, esa robustez se verá amenazada si un voltaje transitorio inesperado de alto nivel daña el conector. Los rayos y descargas electrostáticas (ESD) pueden causar estos transitorios. Sin protección, el impulso parásito de voltaje conduce a través del conector y puede freír rápidamente el silicio de la capa física (PHY) de GbE.

No sorprende, entonces, que el diseño del front-end de GbE exija un alto grado de protección. Normalmente, esto se logra utilizando un transformador de aislamiento. La especificación GbE (IEEE 802.3) define una clasificación de aislamiento mínima de 2.1 kilovoltios (kV) para el front-end de GbE, pero la mayoría de los transformadores comerciales ofrecen clasificaciones de aislamiento de 4 a 8 kV. La protección adicional para las interfaces de GbE viene en forma de un inductor de modo común (CMC), un inductor utilizado para bloquear la corriente alterna (CA) de mayor frecuencia y ayudar a reducir la gravedad de los picos de ESD.

Una terminación "Bob Smith" puede agregar un grado adicional de protección. El diseño lleva el nombre de una patente ahora vencida presentada por Robert W. Smith en 1993. La patente cubre "un aparato para terminar el cable para minimizar las emisiones que irradian del cable y la susceptibilidad del cable a interferencias externas". En aplicaciones de GbE, la terminación Bob Smith generalmente usa una resistencia de 75 ohmios (Ω) para implementar una coincidencia de impedancia de modo común para ayudar a reducir las emisiones de modo común para pares de señales conectadas colectivamente a través de un capacitor a tierra (Figura 1).

Figura 1: La protección contra impulsos parásitos de voltaje y ESD para cada canal en un sistema Gigabit Ethernet generalmente comprende un transformador de aislamiento, un CMC y una terminación Bob Smith. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Comparación de la protección de GbE discreta con la integrada

Como diseñador, tiene tres opciones estándar para implementar su protección de GbE. La primera opción es seleccionar su propio transformador, CMC, terminación Bob Smith y otros componentes de conexión a tierra, y decidirse a diseñar los circuitos para su placa de CI. Las ventajas son que puede maximizar el nivel de protección eligiendo componentes de alta gama, ahorrar algunos costos en esos componentes en comparación con otras opciones y disfrutar de la satisfacción de crear un diseño original. La desventaja es que el proceso de diseño es complicado y probablemente llevará tiempo y los componentes individuales ocuparán más espacio que las soluciones integradas.

La segunda opción es elegir un módulo que integre el transformador y el CMC en un solo componente. El módulo puede integrar varios transformadores y CMC en un componente para acomodar múltiples canales. Las ventajas aquí son el ahorro de espacio y un ciclo de diseño más sencillo, aunque es posible que aún necesite incluir la terminación Bob Smith y otros componentes de conexión a tierra.

Würth Elektronik ofrece una gama de estos módulos en su línea WE-LAN . Considere el dispositivo de montaje en superficie (SMD) WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T 749020310 . Este componente protege cuatro canales y tiene una inductancia de 350 microhenrios (μH), una relación diferencial de rechazo al modo común (CMRR) en un rango de frecuencia de 60 a 100 megahercios (MHz) de -30 decibelios (dB) y un paso de voltaje de prueba de aislamiento de 1500 voltios (RMS) durante un minuto.

La tercera opción es seleccionar un conector RJ45 con un transformador integrado y CMC. Este es el diseño más compacto. La desventaja es la falta de flexibilidad de los componentes frontales de GbE. Un ejemplo de un conector RJ45 de este tipo es el transformador WE-RJ45LAN 10/100/1000/10G Base-T 7499611420 de Würth Elektronik, que integra cuatro canales protegidos, incluidos transformadores, CMC e incluso resistencias de terminación de 75 Ω. El conector presenta una inductancia de 120 µH, una CMRR diferencial en un rango de frecuencia de -28 dB de 1 a 100 MHz y un paso de voltaje de prueba de aislamiento de 1500 voltios (RMS) durante un minuto (Figura 2).

Figura 2: El 7499611420 de Würth Elektronik integra cuatro canales de protección de transformador de aislamiento, CMC y resistencia de terminación. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El ahorro de espacio al utilizar el conector RJ45 con protección integrada es impresionante, lo que hace que el componente sea útil para aplicaciones con espacio limitado (Figura 3).

Figura 3: En comparación con los componentes separados (a), la integración de la protección de GbE en el conector RJ45 (b) elimina la necesidad del módulo de protección y ahorra espacio en la placa de PC. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Prueba de compatibilidad electromagnética

Quizás se pregunte si empaquetar los circuitos firmemente en el conector RJ45 socava la protección proporcionada por el circuito. La respuesta viene en una extensa nota de aplicación (ANP116), “Interfaz Gigabit Ethernet desde una perspectiva EMC,” en la que Würth Elektronik prueba los diseños de referencia que se muestran en las Figuras 3 (a) y (b).

Un punto importante es el impacto que los cables Ethernet pueden tener en la compatibilidad electromagnética (EMC) del sistema de GbE: resulta que el tipo de cable no afecta significativamente el comportamiento EMC, pero los cables no apantallados (quizás no sea sorprendente) exhiben mayores emisiones de interferencia y niveles de inmunidad reducidos (hasta 20 dB más bajos) que los diseños blindados.

Hasta aquí los cables; ¿qué pasa con los conjuntos de front-end? En la nota de aplicación, Würth Elektronik concluye que los dos diseños de referencia difieren en el comportamiento de compatibilidad electromagnética (EMC), principalmente en lo que respecta a su tolerancia a niveles de "ráfaga" de alto voltaje.

Estas ráfagas surgen cuando la conmutación de circuitos inductivos provoca chispas. La interferencia en ráfaga se acopla fuertemente a la estructura del conductor Ethernet. Se recomienda el diseño de (módulo de) interfaz Ethernet discreta cuando se requiere un rendimiento mejorado en entornos EMC con altos niveles de ráfaga.

Aparte de esta diferencia en EMC cuando están sujetos a ráfagas, el comportamiento EMC de los dos tipos es comparable, y ambos diseños superan consistentemente los límites de certificación Clase B de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. para equipos residenciales en un rango de frecuencia de 1 gigahercio (GHz) en al menos 10 dB (Figura 4).

Figura 4: Comparación del rendimiento EMC (emisión de inferencia radiada) discreto (módulo) e integrado (conector RJ45) con los límites de certificación FCC Clase B para equipos residenciales. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

La Figura 4 es el peor de los casos, con los cables sin blindaje en una polarización de antena horizontal. Los cables blindados reducen aún más las emisiones.

Experimente con opciones de transformadores utilizando kits de diseño

Dado que la protección del circuito es obligatoria para las instalaciones de GbE, los componentes se han perfeccionado a lo largo de los años y el diseño del circuito está maduro. Como resultado, los diseños de referencia y los componentes discretos permiten a un ingeniero construir su propia implementación, pero muchas opciones comerciales ofrecen soluciones integradas.

Würth Elektronik ofrece un práctico kit de diseño, el 749945. El kit está lleno de ejemplos de transformadores LAN WE-RJ45 con los que puede probar.

Conclusión

Las opciones populares para la protección de circuitos de GbE incluyen módulos que integran el circuito de protección y están situados entre el conector RJ45 y el GbE PHY, o conectores RJ45 que prescinden del módulo al alojar el circuito de protección dentro de su receptáculo. La elección se reduce a una compensación entre el espacio y la flexibilidad de front-end, y ambos ofrecen protección dentro de los límites de certificación.