Proteção ETH PHY durante a condição "sem fornecimento"

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Minha pergunta é simples: em uma configuração típica de Ethernet, o conector RJ-45 se conecta através de alguns transformadores (ou chame-o de magnético, se quiser) ao Ethernet PHY. (que pode ser interno ao microcontrolador ou a um PHY externo).

Agora, se o dispositivo não estiver energizado, mas o cabo LAN estiver conectado (um caso muito comum), ainda poderá haver pacotes enviados pelos transformadores que atingem o PHY que não está energizado. Como geralmente é um problema ter níveis diferentes de zero nos pinos de ICs não energizados, por que ninguém se importa nesse caso?)

Observe que NÃO estou falando sobre proteção contra ESD, porque este último não o ajudará neste caso!

Obrigado!

Junius
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Respostas:

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De fato, geralmente é um problema. Agora, vamos dar uma olhada nas folhas de dados de alguns chips PHY, apenas para verificar.

Aqui estão as classificações máximas absolutas de um ETH PHY típico, o KSZ8051 (da Micrel, agora Microchip):

insira a descrição da imagem aqui

Aqui estão as classificações máximas absolutas de outra, a LAN8720 (eu sei, também é microchip, mas eles acabaram de comprar todo mundo, não é minha culpa):

insira a descrição da imagem aqui

Então, contanto que você esteja dentro disso, tudo bem. E com níveis normais nos pares de Ethernet e a polarização adequada do transformador, você deve estar dentro disso.

Quando o chip pode ser danificado fornecendo uma tensão de entrada enquanto desligada, a folha de dados indica algo como VCC + 0,5V como sua tensão de entrada máxima. Aqui, temos um valor absoluto, portanto a tolerância da tensão de entrada não depende se o chip está energizado ou não.

Observe que, no caso dos PHYs ethernet, é claro que todas as soluções levam isso em consideração, e nenhum PHY pode ser danificado quando houver sinal, mas não houver energia aplicada. É o mesmo para os drivers RS-232, RS-485, CAN, etc ... Todos estão imunes a esse problema ou ninguém os compraria.


EDITAR

Desculpas ... Após algumas trocas de comentários com o @SimonRichter (veja abaixo), percebi que, na verdade, o que digo acima seria correto e completo para qualquer tipo de interface física, exceto a Ethernet. A razão é: existe um transformador para isolar o nó e o cabo. A torneira central do transformador geralmente está ligada ao trilho de alimentação para trazer o sinal dentro das especificações da faixa de entrada, e tudo está bem. Porém, quando o circuito não está energizado, o trilho de alimentação é zero e o sinal fica centrado no solo. Portanto, excederia as classificações máximas quando se tornasse negativo.

Então comecei a pensar muito 1 , mas não encontrei uma explicação.

O que eu garanto com certeza é que não é um problema . Os PHYs Ethernet e a sinalização Ethernet são projetados para que não quebrem quando um nó não energizado é conectado a um nó energizado, e você não precisa tomar precauções específicas em seu circuito para estar seguro nesse aspecto.

Mas é verdade que dei uma olhada em várias planilhas de dados PHY, e as classificações máximas não são suficientes para garantir isso, e nunca vi um capítulo que explica por que ainda é seguro.

Então, bem, devo admitir que não sei a resposta completa, na verdade.

Portanto, estabeleci uma recompensa por essa pergunta para que alguém nos explique, com fatos concretos , como ela pode ser segura ou forneça provas reais de que as folhas de dados não possuem algumas informações (como uma faixa segura estendida para pares TX / RX que não é Especificadas).


1 - Primeiro, pensei que talvez os diodos de proteção retornassem o sinal ao alcance. Mas não pode: a torneira central teria que suprir todo o circuito, o que não faz sentido. Então pensei que talvez o protocolo de detecção de link fosse especificado de uma maneira que realmente nunca pode acontecer: o sinal Ethernet normal nunca sendo enviado, a menos que o outro lado identifique que o nó distante está realmente ativo e energizado. Mas também não faz sentido: o protocolo de detecção de link está usando sinalização Ethernet normal.

escuro
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@ user3796486 Na verdade, ler folhas de dados é um hábito e uma arte em si. O que você precisa saber ao lê-los é que tudo o que está escrito é realmente intencional . Por exemplo, 5,5V é diferente de Vcc + 0,5V. E também, esse diabo está frequentemente nos detalhes.
dim
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Não sei se isso também se aplica aos pinos analógicos - por um lado, não faria sentido ter classificações máximas assimétricas para um sinal acoplado a CA. Curiosamente, também não encontrei nenhuma menção a isso nas planilhas de dados para os PHYs que normalmente uso, mas ter dispositivos conectados enquanto não alimentados nunca foi um problema, portanto, os dados sugerem que está bom.
22916 Simon
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@SimonRichter Há um viés na torneira central do transformador, que muda o sinal e o traz dentro das especificações. Não está centrado no chão. É por isso que pode ser assimétrico.
dim
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@ dim, certo, mas esse viés precisaria ser alimentado.
Simon Richter
1
@SimonRichter Oh. Isso é realmente certo. Bem, com certeza, o último parágrafo ainda é válido e não há necessidade de se preocupar. Mas, bem ... Sim, é embaraçoso ... Essas folhas de dados, eles sempre esquecem de mencionar algumas coisas, não é? :)
dim
1

Esses ICs protegidos contra sobretensão nas entradas de dados geralmente incluem matrizes de diodos Schottky internamente. Essas matrizes também são vendidas como ICs separados . Cada linha de dados é protegida por dois diodos que a vinculam a Vcc e GND:

insira a descrição da imagem aqui

Sempre que a tensão na linha de dados aumenta, o Vcc é puxado para o mesmo potencial (menos a queda de tensão do diodo Schottky). Portanto, se a placa Ethernet estiver sem energia (Vcc = 0), a tensão nos dados será fixada ou puxará a Vcc para o seu nível. Esse recurso às vezes é usado em projetos de hobby para alimentar CIs através de pinos de dados . Coisas semelhantes acontecem quando a tensão no pino de dados fica abaixo de GND. Além disso, os mesmos diodos fornecem um caminho de descarga que protege as linhas de dados contra ESD.

No caso da Ethernet, a tensão nos pinos de dados será efetivamente reduzida, uma vez que a corrente nas linhas de dados é muito limitada. De acordo com a especificação IEEE 802.3 , os níveis de tensão nas linhas de sinal são limitados a +/- 3,5V, o que equivale a uma corrente máxima de 35mA em uma carga de 100 Ohm. Essa corrente será atenuada ainda mais por perdas nos magnetos no transmissor e no receptor. No pior dos casos (nenhuma atenuação), essa corrente terá que ser dissipada pelos diodos de aperto.

Dmitry Grigoryev
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Pensei nisso e mencionei isso na nota no final do meu post. Mas isso pode sobrecarregar o driver na outra extremidade do cabo, uma vez que a corrente através do diodo de proteção não é limitada no seu esquema. Isso provavelmente também pode fazer com que o diodo de proteção queime. De fato, "CIs de alimentação via pinos de dados" é válido se você apenas ligar um único chip. Aqui, como a corrente precisa passar pela torneira central, que está ligada ao trilho de alimentação de todo o sistema , você alimentará todo o sistema através desse diodo. O que é impossível, é claro.
Dim
A corrente é limitada pelas propriedades do magnetismo e pelas propriedades do sinal de entrada. Na realidade, o sinal será muito fraco para alimentar toda a placa e será fixado com segurança a um valor próximo de zero. Por exemplo, verifique este design de referência , página 10.
Dmitry Grigoryev 30/06
Então você deve abordar isso em sua resposta (mas com mais detalhes e justificativas). Na verdade, quero saber quais itens da cadeia realmente limitam a corrente e, melhor ainda, se esse limite seguro está especificado em algum lugar (nas especificações do IEEE certamente, pois não consigo encontrá-lo em nenhum PHY Ficha de dados).
Dim
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Sim, eu definitivamente entendi errado em algum lugar, a queda de tensão na carga de 100 Ohm deve ser em torno de 3,5V. Vou consertar minha resposta mais tarde, quando tiver tempo.
Dmitry Grigoryev
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@ user3796486 A trava não é um problema aqui, pois se dissipa rapidamente sem energia externa. Em geral (em dispositivos alimentados), os diodos de fixação impedirão o bloqueio até certo ponto, mas estatisticamente, em um chip grande, você terá uma estrutura que trava a uma tensão abaixo da tensão direta do diodo de fixação.
Dmitry Grigoryev