Ce que vous devez savoir sur les connecteurs RJ45 : transmission RJ45 Gigabit PoE × solution de protection contre les surtensions RJ45 × test au brouillard salin neutre RJ45

1. Principe d'alimentation Gigabit Ethernet (PoE)

1. Interface d'alimentation Gigabit Ethernet (PoE) – Technologie, Signal

L'alimentation via Ethernet (PoE) s'applique généralement aux systèmes avec une tension d'alimentation maximale de 57 V CC et une puissance côté utilisateur allant jusqu'à 73 W. La tension est > 42 V à la mise sous tension. La tension est comprise entre 36 et 57 V en fonctionnement normal, avec une valeur typique de 48 V

Cependant, les PoE ont différents niveaux de puissance, et leurs noms ou abréviations sont également différents :

·IEEE 802.3af (PoE) fournit une puissance de sortie de 15 W, ou jusqu'à 12,95 W au niveau du terminal.

·IEEE 802.3at (PoE+) fournit une puissance de sortie de 30 W, ou jusqu'à 25,5 W au niveau du terminal.

·IEEE 802.3bt (4PPoE) fournit une puissance de sortie de 90 W et le terminal peut atteindre jusqu'à 71,3 W.

·IEEE 802.3bu (PoDL) pour Ethernet simple-paire Tableau 1 : Aperçu des caractéristiques les plus importantes des normes Ethernet et des classes associées

Les systèmes PoE se composent d'équipements d'alimentation électrique (PSE) et de dispositifs alimentés (PD, charges), avec une longueur de câble maximale recommandée de 100 mètres. En raison de la petite section des conducteurs, de la grande longueur du câble et de la faible tension du système, il existe une perte de puissance importante dans le câble, ce qui peut entraîner une faible efficacité du système. Par exemple, en classe 4, un PD peut gérer une puissance de 25,5 W, avec une résistance de boucle de ligne allant jusqu'à 12,5 Ω à 100 mètres et un courant maximum autorisé de 600 mA.
Cela entraîne une perte de puissance allant jusqu'à 4,5 W dans le câble et un rendement de seulement 82 % !

PoE est spécifié dans la norme IEEE 802.3af-2003 (IEEE 802.3-2005 Section 33) ou dans la mise à jour 2009 IEEE 802.3at. Selon le système, différentes technologies de fourniture d'énergie sont utilisées.

·Paire de données : alimentée par la paire de prises centrales des bobines primaire et secondaire ;
·Paire inactive : alimentée directement par le groupe de câblage des broches inactives ou par l'isolation du transformateur ;

Dans les Ethernets 10BASE-T et 100BASE-TX traditionnels, seules deux des quatre paires sont utilisées pour la transmission de données. Les deux autres paires inutilisées peuvent être utilisées pour PoE (alimentation). Les données sont transmises par un chemin et l'énergie est transmise par un autre chemin, ce qui correspond à « l'alimentation par paire inactive ». Lorsque le PoE a été introduit pour la première fois, il s'agissait du moyen le plus sûr (voir le tableau 2 ci-dessus), c'est-à-dire de transmettre simultanément des données et de l'alimentation via un seul câble.


Tableau 2 : Configurations de fils dans les câbles Ethernet 10BASE-T, 100BASE-TX et 1000BASE-T (Gigabit Ethernet)

Pour 1000BASE-T (Gigabit Ethernet), les quatre paires sont utilisées pour la transmission de données. Dans ce cas, les données et la puissance sont transmises sur les mêmes paires (voir tableau 2 ci-dessous), qui correspondent donc à des « paires de données ». Cette approche est ici possible car pour Ethernet sur câbles à paires torsadées, la transmission différentielle des données s'effectue sur chaque paire et est découplée par un transformateur. La transmission du signal elle-même ne diffère pas de la transmission non-PoE ; le débit de données et l'amplitude du signal sont les mêmes.


Tableau 3 : Séquence de mise sous tension et plages de tension associées

2. Interface Gigabit Ethernet avec structure d'interface PoE

Conforme à la norme IEEE 802.3at (PoE+), la puissance du périphérique alimenté (PD) peut atteindre 25,5 W. La figure 1 montre le circuit de base du système PoE+.



Figure 1 : Circuit de base pour un système conforme à IEEE 802.3at ou PoE+

Les connexions d'alimentation CC et de charge sont disponibles à partir de la prise centrale du transformateur sur les côtés PSE et PD. Chaque paire de fils fonctionne en mode commun via la prise centrale comme un côté de l'alimentation CC (positive ou négative), donc deux paires de fils sont nécessaires pour compléter le circuit. La polarité de l'alimentation CC n'est pas importante car le redressement se fait du côté de l'appareil alimenté (PD). L'appareil alimenté doit être alimenté à l'aide de l'une des deux paires de fils suivantes : paires de fils de rechange 4-5 et 7-8, ou paires de fils de données 1-2 et 3-6.

3. Processus de mise sous tension, détection PoE

Avant que le PSE (équipement d'alimentation électrique) ne fournisse de l'énergie, le terminal doit être classé. Cela peut éviter d'endommager les terminaux qui ne prennent pas en charge PoE, et en classifiant le PD (appareil alimenté), la puissance fournie par le PSE est limitée à la plage nécessaire, minimisant ainsi les dommages. La source d'alimentation du PSE utilise un courant de classification et une basse tension pour déterminer si le périphérique final prend en charge l'alimentation PoE et à quelle classe il appartient. Par conséquent, en fonction du périphérique final, un échange d'informations (processus de prise de contact) est requis entre la source d'alimentation et le périphérique final, grâce auquel le périphérique final communique sa classe PD. Afin de faire la distinction entre les appareils finaux compatibles PoE et non compatibles dans un premier temps, une méthode basée sur la découverte basée sur la résistance pour savoir si l'alimentation PoE est prise en charge est utilisée dans les sources d'alimentation PoE. Les terminaux compatibles PoE- sont équipés à cet effet d'un circuit d'entrée contenant des composants passifs. La source de courant PSE vérifie la résistance interne du circuit PD à l'aide d'un circuit de mesure. Si la résistance est comprise entre 19 kΩ et 26,5 kΩ et la capacité de ligne ≤ 150 nF, la source d'alimentation est activée. Dans la deuxième phase de détection, la classe de performance est déterminée (tableau 1). Dans cette phase, le PD augmente progressivement la tension jusqu'à signaler à laquelle des quatre classes de performances définies dans la norme 802.3af il appartient. Le système fournit alors la bonne alimentation. Ce processus de détection prend au total environ une seconde. Pour éviter d'endommager les périphériques finaux, le PSE coupe automatiquement l'alimentation des ports associés une fois le PD retiré du réseau local. La figure 2 montre graphiquement le processus de mise sous tension et le tableau 3 montre les étapes de mise sous tension, les processus associés et les plages de tension.


Figure 2 : Séquence d'opération de mise sous tension entre PSE et PD

Le tableau 4 montre la répartition des classes (classées selon le tableau 3) et la plage de courant de boucle entre PSE et PD requise pour détecter ou attribuer une classe.

La ligne grise (c'est-à-dire la valeur médiane) est ignorée par le système de classification.


Tableau 4 : Classification (basée sur le tableau 3) et plage nécessaire correspondante pour le courant de boucle entre PSE et PD ; les valeurs intermédiaires sont ignorées ; courant de classification = résistance de charge définie via PD

802.3bt (PoE++) a introduit deux nouveaux types PoE (Type 3 et Type 4) et quatre classes supplémentaires en septembre 2018. La norme est entièrement rétrocompatible avec les normes PoE précédentes et peut être utilisée avec succès avec les anciens appareils de type 1 et de type 2. La puissance de sortie est augmentée à 90 W - 100 W avec courants de 600 mA - 960 mA. Dans ce cas, l’alimentation nécessite les quatre paires pour limiter les pertes en ligne. Afin de réduire les pertes de ligne entre PSE et PD et d'atteindre des débits de données élevés, des exigences élevées sont imposées au câble ; un aperçu est présenté dans le tableau 5.


Tableau 5 : Présentation des normes PoE, y compris la puissance pertinente de chaque port, les paires de fils utilisées et la catégorie de câble

II. Schéma de protection contre les surtensions RJ45

Les modules RJ45 sont utilisés pour l'interconnexion entre les puces physiques (PHY). Comme le montre la figure 1, RJ45 a deux combinaisons, l'une est discrète, le transformateur du port réseau et le connecteur RJ45 sont séparés, et l'autre est le transformateur du port réseau et le RJ45 intégrés ensemble.



Figure 1 : Deux formes principales de RJ45

Prenons comme exemple le circuit réseau discret RJ45 100M. La figure 2 montre un circuit Ethernet 100 M typique.



Circuit Bob Smith
Le circuit Bob Smith est utilisé pour améliorer la qualité de transmission des signaux réseau et réduire la conception des interférences. Ses principales fonctions sont les suivantes
1) Suppression du mode commun
Le circuit Bob Smith fournit un chemin de retour à faible impédance pour le bruit en mode commun sur la ligne de signal.
2) Adaptation d'impédance
Afin d'obtenir une bonne adaptation d'impédance et de réduire les interférences d'écho, la prise centrale de la bobine secondaire est généralement tirée vers la terre via une résistance de 75 Ω.
3) Protection contre les surtensions
La protection contre les surtensions est divisée en protection en mode commun et en protection en mode différentiel. Conformément aux exigences en matière de surtension de foudre IEC61000-4-5, le mode commun nécessite 4KV et le mode différentiel nécessite 2KV.

Protection en mode commun


Chemin de décharge de surtension sur la ligne de signal : RJ45 → transformateur → prise centrale → résistance 75Ω → condensateur → masse ; le transformateur, la résistance et le condensateur sur ce chemin doivent être capables de résister à un impact de surtension de 4 KV ;

Chemin de décharge de surtension sur la ligne NC : résistance RJ45 → 75 Ω → condensateur → masse : la résistance et le condensateur doivent résister à un impact de surtension de 4 KV

PS : Pour les broches inutilisées du RJ45, le circuit Bob Smith doit également être connecté pour obtenir une adaptation d'impédance du signal et supprimer les interférences de rayonnement externe.

Protection en mode différentiel


Comme le montre la figure ci-dessus, le chemin de décharge de surtension en mode différentiel nécessite que le transformateur de réseau lui-même résiste aux surtensions de 2KV. Dans le même temps, le mode différentiel sera couplé à l'extrémité PHY via le transformateur, de sorte que l'extrémité PHY doit résister aux impacts de 2KV. Habituellement, un dispositif TVS bidirectionnel ou d'autres mesures de protection sont placés à proximité du PHY sur la ligne de données.

Circuit de protection RJ45

L'Ethernet extérieur est sujet aux coups de foudre. La tension et la surintensité générées par les surtensions de foudre peuvent endommager les appareils Ethernet-. Par conséquent, certaines applications fourniront une protection supplémentaire contre la foudre pour l'interface RJ45. Comme le montre la figure ci-dessous, des tubes à décharge en céramique, des dispositifs ESD et TVS sont ajoutés. La bobine primaire et la bobine secondaire ne peuvent pas être mises à la terre ensemble. Il doit y avoir une zone d'isolement au milieu. Le cuivre est interdit sur le PCB. Des billes magnétiques sont nécessaires pour la masse et le blindage du signal.




3. Analyse de la relation entre le test au brouillard salin neutre et les exigences de placage à l'or pour les connecteurs RJ45
1. Exigences de base pour le test au brouillard salin des connecteurs RJ45

En tant que principal moyen d'évaluation de l'adaptabilité environnementale des connecteurs RJ45, le test au brouillard salin neutre (NSS) détermine directement la fiabilité du connecteur dans un environnement salé et humide. Selon les normes internationales GB/T 10125 et ASTM B117, le temps d'exposition au brouillard salin des connecteurs RJ45 doit être défini en fonction de la gravité du scénario d'application et associé aux exigences spécifiques de la structure de la couche de placage en or :

Electronique grand public/applications commerciales ordinaires : le risque de corrosion dans l'environnement de travail est faible, l'épaisseur de la couche de placage d'or doit être ≥0,5 μm et l'épaisseur de la couche inférieure en nickel doit être ≥3 μm. Cette configuration doit réussir un test au brouillard salin de 24 à 48 heures, exigeant que le changement de résistance de contact soit ≤ 20 % après le test, et aucune corrosion du substrat sur la surface de placage (une légère décoloration est autorisée).

Contrôle industriel/équipement extérieur : face aux fluctuations de température et d'humidité et à la pollution chimique, la couche de placage à l'or doit être augmentée à ≥1,0 ​​μm et la couche inférieure en nickel doit être ≥5 μm. La durée du test est étendue à 48-96 heures et la résistance fonctionnelle doit rester stable après 192 heures.

Électronique automobile/équipement marin : il doit résister à une corrosion extrême telle que le sel de déglaçage et le brouillard salin élevé, et utiliser des revêtements composites (tels que nickel + palladium + or) ou une couche d'or ≥ 1,5 μm. Le test nécessite 96-240 heures de vérification rigoureuse, et certains scénarios doivent superposer le test CASS (pulvérisation d'acétate accélérée de cuivre).

Les principaux indicateurs permettant de déterminer une défaillance comprennent : les performances électriques (augmentation de la résistance de contact > 20 %), l'intégrité mécanique (écaillage ou cloquage du placage) et la corrosion du substrat (rouille verte visible sur l'alliage de cuivre). Par exemple, si le RJ45 de qualité industrielle présente un changement soudain de résistance de contact après 96 heures de test, cela indique que la défaillance de la couche barrière en nickel a provoqué la propagation de la corrosion du cuivre sous-jacent.

2. Relation quantitative entre les paramètres du placage à l'or et la durabilité du brouillard salin

2.1 Mécanisme anti-corrosion de l'épaisseur et de la porosité de la couche d'or

Les performances protectrices de la couche de dorure n’augmentent pas de manière linéaire et son imperméabilité dépend de l’équilibre entre épaisseur et porosité. Lorsque la couche d'or est inférieure à 0,3 μm, la cristallisation par galvanoplastie est discontinue pour former des pores denses, et les ions Cl⁻ dans le brouillard salin peuvent pénétrer jusqu'à l'interface inférieure nickel/cuivre pour provoquer une corrosion électrochimique. Lorsque l’épaisseur augmente jusqu’à plus de 0,5 μm, la porosité est considérablement réduite ; lorsqu'elle atteint 1,0 μm, la porosité peut être contrôlée à ≤5/cm² et le risque de corrosion est considérablement réduit. Cependant, une couche d’or trop épaisse (> 2,0 μm) augmentera le coût et pourra provoquer des fissures fragiles dues aux contraintes internes.

Effets typiques des défauts du processus de placage à l’or :

Contamination par impuretés : les impuretés organiques (telles que les produits de décomposition additifs) provoquent l'éclosion de la couche d'or et les impuretés métalliques (Fe²⁺, Cu²⁺) réduisent l'efficacité du courant, entraînant un revêtement lâche et poreux.

Imprécision de la densité de courant : réglage incorrect de l'amplitude ou déséquilibre des paramètres de galvanoplastie par vibration, entraînant une rugosité de cristallisation locale (rougeur visuelle), accélérant la pénétration du brouillard salin.

Vieillissement de la solution de placage : après une utilisation à long terme, la concentration d'ions cobalt/nickel fluctue, modifiant le rapport de l'alliage d'or dur (Au-Co/Au-Ni) et réduisant la densité.

2.2 Le rôle clé de la couche inférieure en nickel

La couche de nickel joue un double rôle dans la structure plaquée or : couche de support mécanique et couche barrière contre la corrosion. Lorsque l'épaisseur est ≥3 μm, elle peut bloquer efficacement la diffusion des ions entre le substrat de cuivre et la couche d'or ; lorsqu'elle augmente à plus de 5 μm, même s'il y a des traces de pores dans la couche d'or, les propriétés de passivation du nickel peuvent encore retarder la corrosion du substrat. Le test au brouillard salin neutre montre que l'alliage de cuivre plaqué or sans couche de nickel présente une rouille rouge dans les 24 heures, tandis que l'échantillon avec une couche de nickel de 5 μm ne présente qu'une légère décoloration au bord après 96 heures.

Tableau : Correspondance entre les paramètres de placage à l'or du connecteur RJ45 et les performances du test au brouillard salin

3. Influence clé des conditions d’essai au brouillard salin sur les résultats

3.1 Contrôle de la température, de l'humidité et de la sédimentation

La corrosion au brouillard salin est essentiellement une réaction électrochimique. La vitesse de réaction augmente de 2 à 3 fois pour chaque augmentation de température de 10°C. Le test NSS standard nécessite une température constante de 35 ± 2°C. Si l'écart est de 40°C, la quantité réelle de corrosion équivalente d'un essai de 96 heures peut atteindre 168 heures. La quantité de sédimentation doit être strictement contrôlée à 1,0-2,0 ml/80 cm²·h. Une sédimentation insuffisante sous-estimera la corrosivité, tandis qu'une sédimentation excessive entraînera un épaississement du film liquide et accélérera la corrosion par diffusion de l'oxygène.

3.2 Concentration de l'eau salée et valeur du pH

La concentration de NaCl doit être maintenue à 5 % (rapport massique) pour simuler la véritable atmosphère marine. Lorsque la concentration est supérieure à 5 %, la diminution de la solubilité de l’oxygène réduira le taux de corrosion de l’acier ; mais pour les alliages de cuivre, le taux de corrosion continue d'augmenter. La valeur du pH est un paramètre sensible : lorsque le pH chute de 7,0 à 3,5 (par exemple en raison de l'acidification provoquée par la dissolution du CO₂), le taux de corrosion augmente de 7-8 fois. Par conséquent, le pH doit être surveillé quotidiennement pendant le test et ajusté à neutre avec NaOH/HCl.

3.3 Angle de placement de l'échantillon

Si le connecteur RJ45 est placé horizontalement (0°), la quantité de brouillard salin déposé sur la surface supérieure est 1,8 fois supérieure à celle lorsqu'il est placé verticalement, ce qui entraîne une corrosion excessive. Selon GB/T 2423.17, il est recommandé de le placer à une inclinaison de 30° pour rapprocher la répartition de la corrosion des conditions de travail réelles.