Cine are nevoie de un transformator?

3 APRILIE 2018

Kansal Mariam Banu Shaick Ibrahim de la Microchip Technology prezintă modalități de economisire prin adoptarea unui proiect fără transformator atunci când dispozitivele Ethernet au nevoie să comunice pe o distanță cunoscută.

Figura 1: Izolația tipică cu transformator pentru PHY care implică drivere de mod curent

Aplicațiile care sunt sensibile din punct de vedere al costurilor, ce utilizează conexiuni PCB pentru comunicație pe distanțe scurte, sau care operează în condiții de mediu extreme pot beneficia de ope­rare fără utilizarea unui transformator. Acolo unde două dispozitive Ethernet fixe au nevoie să comunice pe o distanță cunoscută, se poate aplica o soluție fără dispozitive magnetice. Un exemplu este atunci când dispozitivele comunică pe aceeași placă PCB sau printr-o placă de bază, în aceeași carcasă VME.
Pentru a putea aprecia constrângerile legate de dezvoltarea unei aplicații non tipice fără transformator, este necesar mai întâi să se înțeleagă servi­ciile și semnalele dintr-o rețea fizică, precum și funcțiile pe care le furnizează transformatoarele într-o rețea tipică. O configurație de rețea tipică constă dintr-o conexiune punct-la-punct, printr-un cablu, între două dispozitive de nivel fizic.
Figura 1 prezintă o schemă pentru o interfață de transformator tipic pentru PHY care implică drivere de mod curent.

Figura 2: Izolație tipică cu transformator pentru PHY, care implică drivere de mod tensiune și terminații pe cip

Transmițătorul și receptorul pentru fiecare nod este izolat DC de cablul de rețea prin transformatoare 1:1. Transformatoarele furnizează funcțiile de izolare DC față de cablu și polarizarea DC la dispozitivul de nivel fizic. Izolația este necesară pentru a răspunde specificațiilor AC și DC pentru configurații cablate, IEEE 802.3.
Similar, figura 2 prezintă o schemă de interfață tipică de transformator pentru PHY care implică drivere de mod tensiune și terminații pe cip.

Configurație
Pentru a răspunde cerințelor operaționale ale aplicațiilor non tipice de rețea fără transformator, este necesară implementarea unor componente de rețea pentru transmitere și recepționare, sepa­rare și polarizare, precum și izolare DC de mare tensiune în vederea respectării cerințelor specifice de siguranță al aplicației. Pentru aplicațiile non tipice, izolația pe care o furnizează transformatorul în aplicațiile tipice, poate fi implementată utilizând condensatoare nepolarizate.
O configurație tipică de rețea furnizează serviciile de auto-negociere, auto-MDI-X, operație de 10Mbit/s și 100Mbit/s. Auto-MDI-X se referă la versiuni de interfață dependente de mediu (MDI) care detectează dacă conexiunea va necesita încrucișare și alege automat configurația MDI sau MDI-X (cu încrucișare) pentru a se potrivi cu celălalt capăt al legăturii.
Auto-negocierea și auto-MDI-X ar trebui să fie dezactivate în aplicațiile fără transformator și PHY cu curent controlat. Acest lucru poate fi realizat pentru că ambele PHY sunt sub control local. În cazul unui PHY cu control în tensiune, nu contează dacă auto-negocierea este dezactivată sau activată. Proiectantul de sistem poate configura o viteză specifică și duplex pe ambele dispozitive pentru a asigura o comunicație corespunzătoare. Pe baza testării de laborator la Microchip, două dispozitive PHY pot fi legate și comunica foarte bine cu auto-MDI-X și auto-negociere activate, dar există câteva secunde de întârziere de la reinițializarea legăturii. Dezactivarea auto-negocierii și auto-MDI-X va preveni această întârziere pe durata pornirii sistemului.
Specificațiile IEEE 802.3-2008 necesită ca liniile TX și RX să opereze în mod diferențial. Liniile TXP și TXN formează o pereche diferențială și trebuie să fie proiectate la o impedanță diferențială de 100Ω pentru distanțe lungi și o impedanță diferențială de 50Ω pentru distanțe scurte.
Liniile RXP și RXN formează, de asemenea, o pereche diferențială și necesită să fie proiectate ca ținte de impedanță diferențială.

Auto-negociere
Scopul funcției de auto-negociere este de a configura automat transceiverul la parametrii optimi de legătură pe baza capabilității partenerului său de legătură. Auto-negocierea este un mecanism de a schimba informații de configurare între două legături partenere și de a selecta automat modul cu cea mai mare performanță suportat de ambele părți.
Liniile de produse Microchip LAN și KSZ, Ethernet PHY, controlerele, comutatoarele și controlerele EtherCAT au fost testate cu succes pentru auto- negociere. Auto-negocierea poate fi dezactivată cu ajutorul bitului de activare din registrul de control de bază al PHY. Transceiverul va forța apoi viteza sa de operare pentru a reflecta informația în registrul de control PHY pentru selectarea vitezei LSB și mod duplex. Acești biți sunt ignorați când este activată auto-negocierea.

Auto-MDI-X

Figura 3: Rezistențele de sarcină în aplicația fără transformator pentru PHY-uri care implică drivere de mod curent

Auto-MDI-X facilitează utilizarea unui cablu de interconectare UTP Cat-3 (10baseT) sau Cat-5 (100baseTX) fără a lua în considerare schema de legături a interfeței. Dacă un utilizator optează pentru o conexiune directă prin cablul LAN sau un cablu de legătură încrucișată, transceiverul poate configura pinii pereche TXPx/TXNx și RXPx/RXNx pentru operarea corectă a transceiverului.
Logica internă a dispozitivului detectează pinii TX și RX ai dispozitivului de conectare. Deoarece perechile de linii RX și TX sunt interschimbabile, sunt necesare anumite considerații de proiectare PCB pentru a se potrivi cu magnetica simetrică și terminațiile designului auto-MDI-X.
Controlul bazat pe software al funcției auto-MDI-X poate utiliza bitul de control auto-MDI-X al regis­trului de control special și indicare de stare al PHY. Atunci când bitul de control al auto-MDI-X este stabilit la 1, capabilitatea auto-MDI-X este deter­minată prin activarea auto-MDI-X și biții de stare auto-MDI-X din registrul de control special și indicare de stare al PHY.

Conexiune fizică
Figura 3 prezintă conexiunea fizică pentru dispozitivele Microchip LAN9XXX care au integrate PHY-uri cu drivere de mod curent. Produsele LAN8XXX și KSZ88X1 au de asemenea drivere de mod curent.
Ieșirea transmițătorului este proiectată pentru a conduce curentul într-un transformator.

Figura 4: Fără rezistențe de sarcină în aplicațiile fără transformator pentru PHY-uri ce implică drivere de mod tensiune și terminații pe cip

Atunci când transformatorul nu este utilizat, la fiecare dispozitiv trebuie legate rezistențe de sarcină pentru a dezvolta tensiunea de ieșire.
Pinii RX sunt configurați cu 50Ω către sursă pentru operare auto-MDI-X, unde pot fi configurați ca pini TX.
Dacă auto-MDI-X este dezactivat și pinii RX sunt numai pentru mod de recepție, atunci terminalele externe pot fi legate în orice mod posibil atâta vreme cât există o diferență de 100Ω între pini.
Figura 4 prezintă conexiunile fizice pentru transceiverele PHY Ethernet Microchip KSZ8081 / KSZ8091 cu drivere de mod tensiune și terminații pe cip. Cu implementarea de mod tensiune, driverele de transmisie PHY, alimentează tensiunile de mod curent ale celor două perechi diferențiale.
Cu terminații pe cip, nu este nevoie de rezistențe de sarcină externe.

Considerații de distanță
Atunci când se proiectează un sistem pentru conectarea a două dispozitive Ethernet fără transformatoare, distanța dintre două dispozitive are impact asupra hardware-ului necesar. Ca privire generală, orice distanță mai mică de 1m intră în categoria de distanță scurtă, iar peste 1m, distanță lungă. Pentru distanțe scurte, rezistențele de 50Ω pot fi combinate pentru a obține o singură rezistență de 25Ω. Pentru distanțe lungi, ambele dispozitive Ethernet necesită rezistențe pe terminalele fiecărui pin analogic. Exemplele de con­figurații pentru distanțe lungi includ dispozitive conectate pe placă de legătură (backplane) sau plăci conectate prin cabluri lungi. Pentru o plasare optimă a rezistențelor, trebuie realizate validări corespun­zătoare de laborator. Conexiunile pe cablu pentru distanțe foarte lungi fără transformatoare nu sunt încurajate datorită riscului potențial pentru tensiune ridicată și efectelor de zgomot.

Figura 5: Alte dispozitive pot necesita condensatoare de blocare DC

Exemple
Dispozitivele LAN9XXX nu necesită condensatoare de blocare DC pe pinii RX. La conectarea cu un alt dispozitiv Ethernet, ar putea fi necesar să se includă condensatoare. Un exemplu de conectare la controlerul Ethernet 10/100 cu un singur cip, LAN9115, este prezentat în figura 5. Un PHY cu drivere de mod tensiune și terminații pe cip poate fi conectat la un PHY cu drivere de mod curent și terminații externe.

Figura 6: Conexiunile între drivere de mod curent și drivere de mod tensiune cu terminații pe cip

Figura 6 prezintă modul de conectare fizică dintre transceiverele Ethernet PHY Microchip KSZ8081 / KSZ8091 și KSZ8041.

Concluzie
Dispozitivele Microchip LAN și KSZ pot fi configu­rate în aplicații de rețea non tipice fără transformator pentru a transmite și recepționa în siguranță. Recomandările includ utilizarea unor condensatoare nepolarizate pentru izolație DC față de un cablu de rețea, cu o izolație de DC minimă care se potrivește aplicației individuale. Microchip oferă diverse produse pentru a asigura suport următoarelor generații Ethernet PHY, comutatoare, controlere industriale EtherCAT și controlere industri­ale Ethernet 10/100 MAC și PHY.

Autor: Kansal Mariam Banu Shaick Ibrahim

Microchip Technology  |   www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *