補償和測量高功率LED驅動(dòng)器的控制回路

隨著(zhù)以太網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域激增，在10/100和Gb端口上采用PoE(以太網(wǎng)供電)的系統也在迅速增加。通過(guò)以太網(wǎng)電纜給遠程設備供電的好處和成本優(yōu)勢使許多應用(包括IP電話(huà)、數字視頻監控、WLAN接入點(diǎn)及其他低壓網(wǎng)絡(luò )連接的系統)得以實(shí)現。

典型的PoE系統利用供電設備(PSE)通過(guò)以太網(wǎng)雙絞線(xiàn)把直流電壓發(fā)送到遠程受電設備(PD)。由于PoE系統經(jīng)常受到瞬態(tài)電壓的威脅，在設計時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題之一，就是保護以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(PHY)能夠抵御過(guò)壓沖擊。

在PoE應用增長(cháng)的同時(shí)，以太網(wǎng)PHY的尺寸也在迅速縮小。目前，以太網(wǎng)PHY大多使用90nm技術(shù)制造，但芯片制造商即將推出采用65nm工藝技術(shù)制造的尺寸更小的產(chǎn)品。事實(shí)表明，采用這些先進(jìn)的制造工藝時(shí)，在CMOS上實(shí)現有效的芯片級ESD保護是不切實(shí)際的，因為芯片面積太小無(wú)法提供系統級?mèng)敯粜?，另外要?shí)現有效的芯片級保護成本也過(guò)高。為滿(mǎn)足全球標準的要求、并保證系統的可靠性，時(shí)下基于以太網(wǎng)的系統設計越來(lái)越強烈地要求使用更好的片外電路保護。

瞬態(tài)電壓威脅

以太網(wǎng)接口易于受到各種瞬態(tài)過(guò)壓事件的攻擊，其中最常見(jiàn)的是靜電放電(ESD)、電纜放電和閃電電涌。另外，在PoE系統中，通過(guò)雙絞線(xiàn)傳送直流功率會(huì )引入一些特有的由差分模式連接引起的瞬態(tài)故障。

ESD是一種速度非?？斓乃矐B(tài)脈沖。根據IEC61000-4-2標準給出的模型，ESD波形的上升時(shí)間為700皮秒到1納秒，從脈沖峰值電流衰減到50%的脈沖持續時(shí)間為60納秒。大的電流尖峰和瞬態(tài)過(guò)程中包含的能量可能會(huì )損壞硅芯片的亞微米輸入結構。

在摩擦帶電效應或感應等常規環(huán)境下，以太網(wǎng)電纜帶電后會(huì )發(fā)生電纜放電(CDE)，或稱(chēng)為電纜靜電放電(CESD)現象。把帶電的電纜插入系統接口是有危險的。事實(shí)表明，電纜通過(guò)以太網(wǎng)磁通道向以太網(wǎng)端口放電會(huì )形成幾種不同模式的電涌。與ESD相類(lèi)似，電纜放電電涌的上升時(shí)間很短(不到1納秒)，但與ESD不同，其繼發(fā)波形存在極性快速變化且持續時(shí)間較長(cháng)的振蕩。對于以太網(wǎng)設計者來(lái)說(shuō)，電纜放電波形中的能量會(huì )帶來(lái)比人體靜電放電更為嚴重的問(wèn)題。

在網(wǎng)絡(luò )連接中，閃電電涌是一種常見(jiàn)的威脅。閃電沖擊可以在以太網(wǎng)線(xiàn)上感生出可能會(huì )傳送到以太網(wǎng)PHY的高壓脈沖。與納秒級的ESD事件不同，閃電電涌的持續時(shí)間為毫秒級。EMC業(yè)界用上升時(shí)間(毫秒級)、尖峰脈沖電流和下降時(shí)間來(lái)描述這種脈沖。閃電沖擊的能量比ESD級別的沖擊大幾個(gè)數量級。

PoE應用中的差分模式瞬態(tài)響應

正如前面提到的，PoE接口的保護可能會(huì )特別具有挑戰性，因為除了由ESD和電涌引起的瞬態(tài)過(guò)程之外，在連接直流電源時(shí)，有幾種經(jīng)常發(fā)生的情形會(huì )在以太網(wǎng)傳輸線(xiàn)上引發(fā)差分電涌。這樣自然會(huì )對PHY造成災難性的故障或難題，劇烈的沖擊可能會(huì )損壞IC。

大多數PoE電路設計者會(huì )采取某種形式的共模保護措施來(lái)保護PoE電路，常用的方式包括使用與地層相連的共模電容器、或跨接在電源兩端的TVS瞬態(tài)電壓抑制器，后者依靠速度非?？斓男ぬ鼗O管把電流引向地。然而，許多設計者會(huì )錯誤地忽視差分模式保護。以太網(wǎng)差分對利用變壓器、或者共模遏流把PHY與外部環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)。變壓器可對外部電壓提供高水平共模隔離，但不能對金屬性的、或差分的(線(xiàn)到線(xiàn))電涌提供保護。

如圖1所示，PoE系統在差分對上存在+48V或-48V的電壓。在信號線(xiàn)對中，這個(gè)直流電壓是公有的，因而差分直流電壓為0伏。然而，在一些情況下，接電可能會(huì )引入瞬態(tài)過(guò)程。



圖1：典型的PoE電路。（供電設備(PSE)、受電設備、以太網(wǎng)電纜）

例如，當在供電設備和受電設備之間進(jìn)行RJ-45連接時(shí)，引腳接合可能不是同步發(fā)生的。在引腳接觸到RJ-45時(shí)，可能會(huì )發(fā)生引腳1早于或晚于引腳2的情況。這樣就會(huì )在該線(xiàn)對上產(chǎn)生一個(gè)48V的差分瞬態(tài)過(guò)程，進(jìn)而破壞或損壞PoE電路的PHY。當用戶(hù)在相同的電源端口把連接從一個(gè)已供電設備切換到一個(gè)未供電設備時(shí)也會(huì )出現類(lèi)似的情況。當電源設備檢測到已連上一個(gè)未供電設備時(shí)，供電設備在終止對前者供電時(shí)會(huì )存在延遲。在這種情況，功率可存在足夠長(cháng)的持續時(shí)間，引腳的非同時(shí)連接形成一個(gè)48V的差分電壓。這種情形導致的差分模式瞬態(tài)可能會(huì )破壞或損害PHY。

瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管

顯然，由于PoE結構暴露在惡劣的環(huán)境威脅中，所以需要使用片外電路來(lái)進(jìn)行保護。低壓TVS二極管是成熟的以太網(wǎng)收發(fā)器保護技術(shù)。這種二極管響應速度快(亞納秒級)、電容低且鉗位電壓低，非常適于用來(lái)抵御各種瞬態(tài)電涌。

為了對PoE電路提供差分保護，有效的TVS二極管保護方案必須能夠鉗住瞬態(tài)/電涌，且同時(shí)在接口上呈現為最小的負載電容。TVS應提供低鉗位電壓，而且，作為一個(gè)一般性規則，線(xiàn)到線(xiàn)電容應不超過(guò)幾個(gè)皮法。此外，作為PoE電路的一個(gè)獨特要求，TVS配置必須考慮在線(xiàn)對之間存在+/-48V的直流電壓。由于在不同線(xiàn)對之間存在高直流電壓，不能使用任何在線(xiàn)對之間形成電氣路徑的集成二極管陣列或橋式TVS器件。差分對之間必須是電氣隔離的。



圖2：針對PoE電路的瞬態(tài)電壓保護。（RJ-45連接器、Rclamp0524S、以太網(wǎng)PHY）

圖2給出了一個(gè)使用Semtech公司RClamp0524S實(shí)現的用于抵御差分模式瞬態(tài)的PoE TVS方案實(shí)例。在實(shí)現PoE保護電路時(shí)，把保護電路放在供電側有一些好處：不僅可以保護下游的功率開(kāi)關(guān)電路，而且可避免瞬態(tài)電流流過(guò)變壓器。由于任何附加的電感都會(huì )提高TVS二極管的ESD鉗位電壓，因此應該盡可能的讓TVS靠近連接器。本例中的TVS陣列具有線(xiàn)間電容較小的特性，由于這些二極管對在封裝中是分開(kāi)的所以還能提供必要的線(xiàn)隔離，以便隔離差分對之間的48V電壓。另外，圖3所示的直通型(flow-through)布局降低了瞬態(tài)路徑中的總電感并可給PCB布局帶來(lái)便利。



圖3：Rclamp0524S直通布線(xiàn)。