Discrètes ou intégrées : les différentes options de protection des circuits d'entrée Gigabit Ethernet

La technologie Gigabit Ethernet (GbE) est un système de communication haute vitesse relativement robuste, largement utilisé dans les maisons et sur les sites commerciaux et industriels. Cependant, cette robustesse est mise à l'épreuve si une tension transitoire élevée et inattendue brouille le connecteur. Ces transitoires peuvent être provoqués par la foudre et des événements de décharge électrostatique (DES). Sans protection, la pointe de tension passe par le connecteur et peut rapidement faire griller le silicium de la couche physique (PHY) GbE.

Il n'est pas surprenant que la conception du circuit d'entrée GbE nécessite un degré élevé de protection. Pour ce faire, on utilise typiquement un transformateur d'isolement. La spécification GbE (IEEE 802.3) définit un isolement minimum de 2,1 kilovolts (kV) pour le circuit d'entrée GbE, mais la plupart des transformateurs disponibles dans le commerce offrent des valeurs nominales d'isolement de 4 à 8 kV. Les interfaces GbE sont également protégées grâce à une bobine d'arrêt de mode commun (CMC). Il s'agit d'une inductance utilisée pour bloquer le courant alternatif (CA) à fréquence plus élevée et ainsi réduire l'ampleur des pointes DES.

Une terminaison « Bob Smith » peut ajouter un degré de protection supplémentaire. La conception tire son nom d'un brevet qui n'est plus valide aujourd'hui, dont la demande a été déposée par Robert W. Smith en 1993. Ce brevet couvre « un appareil pour réaliser la terminaison du câble afin de réduire les émissions rayonnées par le câble et la sensibilité du câble aux interférences extérieures ». Dans les applications GbE, la terminaison Bob Smith utilise généralement une résistance de 75 ohms (Ω) pour implémenter une adaptation d'impédance de mode commun afin de contribuer à réduire les émissions de mode commun pour les paires de signaux connectées collectivement à la terre via un condensateur (Figure 1).

Figure 1 : La protection contre les DES et les pointes de tension dans le circuit d'entrée de chaque canal d'un système Gigabit Ethernet inclut typiquement un transformateur d'isolement, une bobine d'arrêt de mode commun (CMC) et une terminaison Bob Smith. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Comparaison de la protection GbE discrète et intégrée

En tant que concepteur, vous disposez de trois options standard pour implémenter votre protection GbE. La première option consiste à choisir vos propres composants (transformateur, bobine d'arrêt de mode commun, terminaison Bob Smith et autres composants de mise à la terre), puis de concevoir les circuits pour votre carte à circuit imprimé. Les avantages sont les suivants : vous pouvez optimiser le niveau de protection en choisissant des composants haut de gamme, faire des économies sur ces composants par rapport à d'autres options et avoir la satisfaction de créer une conception originale. L'inconvénient est que le processus de conception est délicat et vous prendra certainement du temps. Par ailleurs, les composants individuels prendront plus de place que les solutions intégrées.

La deuxième option consiste à choisir un module qui intègre le transformateur et la bobine d'arrêt de mode de commun dans un seul composant. Le module peut intégrer plusieurs transformateurs et bobines d'arrêt dans un même composant pour prendre en charge plusieurs canaux. Les avantages de cette option sont le gain de place et un cycle de conception simplifié, mais vous devrez peut-être quand même inclure la terminaison Bob Smith et d'autres composants de mise à la terre.

Würth Elektronik propose différents modules de ce type dans sa gamme WE-LAN. Vous pouvez envisager le composant à montage en surface (CMS) WE-LAN AQ 10/100/1000 Base-T 749020310. Ce composant protège quatre canaux et présente une inductance de 350 microhenrys (µH), un taux de réjection de mode commun (TRMC) différentiel de -30 décibels (dB) sur une gamme de fréquences de 60 à 100 mégahertz (MHz), ainsi qu'une tension de test d'isolement de 1500 volts (V) (RMS) pendant une minute.

La troisième option consiste à choisir un connecteur RJ45 avec transformateur et bobine d'arrêt de mode commun intégrés. Il s'agit de la conception la plus compacte. En contrepartie, les composants du circuit d'entrée GbE manquent de flexibilité. Le transformateur 7499611420 WE-RJ45LAN 10/100/1000/10G Base-T de Würth Elektronik est un exemple de connecteur RJ45. Il intègre quatre canaux protégés, avec notamment des transformateurs, des bobines d'arrêt de mode commun et même des résistances de terminaison de 75 Ω. Le connecteur présente une inductance de 120 µH, un TRMC différentiel de -28 dB sur une gamme de fréquences de 1 à 100 MHz, ainsi qu'une tension de test d'isolement de 1500 V (RMS) pendant une minute (Figure 2).

Figure 2 : Le 7499611420 de Würth Elektronik intègre quatre canaux de protection des transformateurs d'isolement, des bobines d'arrêt de mode commun et des résistances de terminaison. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le gain de place issu de l'utilisation du connecteur RJ45 avec protection intégrée est impressionnant, et ce composant est donc utile pour les applications où l'espace est restreint (Figure 3).

Figure 3 : Par rapport aux composants séparés (a), le fait d'intégrer la protection GbE au connecteur RJ45 (b) élimine la nécessité d'ajouter un module de protection et permet de gagner de la place sur le circuit imprimé. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Tester la compatibilité électromagnétique

Vous vous demandez peut-être si le fait d'inclure tous les circuits dans le connecteur RJ45 nuit à la protection fournie par le circuit. Vous trouverez la réponse dans une note d'application détaillée (ANP116), intitulée Gigabit Ethernet interface from an EMC perspective, dans laquelle Würth Elektronik teste les conceptions de référence illustrées à la Figure 3 (a) et (b).

Un point important est l'impact que peuvent avoir les câbles Ethernet sur la compatibilité électromagnétique (CEM) du système GbE : il s'avère que le type de câble n'a pas d'effet majeur sur le comportement CEM, mais que les câbles non blindés (ce qui n'est peut-être pas si étonnant) présentent des émissions d'interférences supérieures et des niveaux d'immunité inférieurs aux conceptions blindées (jusqu'à 20 dB de moins).

Voilà pour ce qui est des câbles, mais qu'en est-il des assemblages de circuit d'entrée ? Dans sa note d'application, Würth Elektronik conclut en disant que les deux conceptions de référence présentent un comportement différent en ce qui concerne la compatibilité électromagnétique (CEM), principalement en termes de tolérance aux niveaux de « rafales » haute tension.

Ces rafales surviennent lorsque la commutation des circuits inductifs provoque une étincelle. L'interférence des rafales est amplifiée dans la structure du conducteur Ethernet. La conception avec interface Ethernet discrète (module) est recommandée lorsque des performances accrues sont nécessaires dans des environnements CEM avec des niveaux de rafales élevés.

Hormis cette différence de CEM en présence de rafales, le comportement CEM des deux types de conception est comparable et tous deux surpassent systématiquement les limites de la certification de classe B de la FCC (Federal Communications Commission) américaine pour les équipements résidentiels sur une gamme de fréquences de 1 gigahertz (GHz) d'au moins 10 dB (Figure 4).

Figure 4 : Comparaison des performances CEM (émissions d'interférences rayonnées) de la solution discrète (module) et de la solution intégrée (connecteur RJ45) avec les limites de la certification de classe B de la FCC pour les équipements résidentiels. (Source de l'image : Würth Elektronik)

La Figure 4 correspond au pire scénario, avec des câbles non blindés dans une polarisation d'antenne horizontale. Des câbles blindés réduisent davantage les émissions.

Tester les options de transformateurs en utilisant des kits de conception

Étant donné que la protection des circuits est obligatoire pour les installations GbE, les composants ont été peaufinés au fil des années et la conception des circuits est aujourd'hui aboutie. Par conséquent, les conceptions de référence et les composants discrets permettent aux ingénieurs de construire leur propre implémentation, mais de nombreuses options disponibles dans le commerce offrent des solutions intégrées.

Würth Elektronik propose le kit de conception pratique 749945. Le kit contient de nombreux exemples de transformateurs WE-RJ45 LAN à tester.

Conclusion

Les options populaires pour la protection des circuits GbE incluent des modules qui intègrent les circuits de protection et qui se placent entre le connecteur RJ45 et la couche PHY GbE, ou des connecteurs RJ45 qui permettent de se passer du module en intégrant les circuits de protection dans leur boîtier. Le choix se résume à un compromis entre l'espace et la flexibilité de conception du circuit d'entrée, les deux options offrant une protection qui est largement dans les limites de la certification.