以太網(wǎng)供電浪涌保護電路設計方案詳解

　　設計一款電子電路或定義一個(gè)完整系統時(shí)，確定這些應力源，并正確理解它們的機制以正確定義操作系統的環(huán)境是非常重要的。這樣做可以使您定義簡(jiǎn)單的設計規則，并利用低成本的解決方案對敏感的電子系統進(jìn)行充分有效的保護。以太網(wǎng)供電 （PoE） 設備是一種必須對敏感電源電路進(jìn)行保護的系統。盡管 PoE 規范提供了過(guò)電流保護功能，但對那些會(huì )損害其他類(lèi)型電源設備的電氣瞬態(tài)來(lái)說(shuō)，這些系統也很易遭受同樣的損害。

　　在 PoE 設備中，供電設備 （PSE） 將電源通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)纜供應到用電設備 （PD） 中。如圖 所示，通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)纜數據通道所用的兩條雙絞線(xiàn)對的共模電壓差進(jìn)行供電。通過(guò)使用額外的備用雙絞線(xiàn)對，可以提供更多的電力。PoE 的應用范圍很廣，其中包括辦公和工業(yè)網(wǎng)絡(luò )等環(huán)境。以太網(wǎng)線(xiàn)纜或設備通常為室內使用，但是也可以用于室外應用。

　　在本單端口 PoE 應用例子中，通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)纜的信號對實(shí)現了電源供電；而通過(guò)備用雙絞線(xiàn)對實(shí)現了更多電力供應。

　　PoE 應用中的瞬態(tài)

　　當前已開(kāi)發(fā)了許多標準，對不同應用中的瞬態(tài)過(guò)壓環(huán)境進(jìn)行模擬或仿真。例如，根據 IEC 瞬態(tài)抗擾度標準，瞬態(tài)可以分為以下三大類(lèi)：　IEC 61000-4-2：靜電放電 （ESD）； IEC 61000-4-4：電氣快速瞬態(tài)/脈沖群 （EFT）； IEC 61000-4-5：浪涌。這些 IEC 標準也定義了應用于每一瞬態(tài)類(lèi)別的抗擾度測試方法，并且它們還向瞬態(tài)抑制組件的廠(chǎng)家提供了一些符合特定組件特征的標準化波形和過(guò)電壓電平。

　　靜電放電 （ESD）

　　ESD 是由兩種絕緣材料接觸、分開(kāi)而引起的電荷累加造成的；當帶電體接近另一個(gè)電位較低的物體時(shí)，就會(huì )引起相應的能量釋放。例如，當人走過(guò)地毯時(shí)，就可以產(chǎn)生超過(guò) 1.5kV 的電荷?！SD 是一種共模電氣事件，并且是通過(guò)電氣路徑，從一個(gè)元件到另一個(gè)元件的放電現象，最后以外殼接地結束。清楚地確定電流路徑，并確保其對敏感電路不會(huì )造成損害是一項很重要的設計指南。一個(gè)更好的選項就是為放電電流提供一個(gè)替代放電路徑，以繞過(guò)該敏感電路。

　　表 1、IEC 61000-4-2 波形參數。

　　另一個(gè)威脅因素是線(xiàn)纜放電事件。當以太網(wǎng)線(xiàn)纜充電，并放電到與該線(xiàn)纜相連的一個(gè)電路中時(shí)，就會(huì )發(fā)生線(xiàn)纜放電事件。線(xiàn)纜也能通過(guò)摩擦帶電（例如，將線(xiàn)纜在地毯上拖曳）或通過(guò)感應（例如，來(lái)自持有線(xiàn)纜的帶電人體）的方式進(jìn)行充電。目前還未確定用特定的測試方法來(lái)定義線(xiàn)纜放電的標準。絕大多數的廠(chǎng)商都使用內部線(xiàn)纜放電事件 （CDE） 對設備 （setup） 進(jìn)行測試以對他們的設計進(jìn)行評估。極少數人認為只要通過(guò) IEC 等級 4 測試，就已足夠對此類(lèi)放電進(jìn)行保護了。

　　不過(guò)，那種認為只要設備通過(guò) IEC 61000-4-2 等級 4 放電測試，就可以通過(guò) CDE 測試的看法，之所以不是不變的真理，是因為兩個(gè)測試中所用的帶電電容有很大區別，即 IEC ESD 為 150 pF，而 CDE 的電容則要大的多，這取決于所用線(xiàn)纜長(cháng)度以及線(xiàn)纜相對地面的高度。在集中式電容 （lumped capacitance） 之外，也有來(lái)自傳輸線(xiàn)路的分布式電容。CDE 中的放電通常會(huì )比 IEC 等級 4 中的放電釋放更多的能量到所測設備中。

　　電氣快速瞬態(tài)

　　一次電氣快速瞬態(tài) （EFT） 是開(kāi)關(guān)和繼電器、馬達以及其他感應負載電弧接觸的結果，這在工業(yè)環(huán)境中是很常見(jiàn)的。通常，該類(lèi)型的瞬態(tài)是共模型的，并通過(guò)電容耦合引入通信線(xiàn)纜中。 IEC61000-4-4 將該瞬態(tài)定義為一系列非常短的高壓尖峰，以 5kHz 到 100kHz 的頻率出現。表 2 歸納了嚴重性測試等級。短路電流值通過(guò)用 50-Ω 電源阻抗對開(kāi)路電壓分壓進(jìn)行估算。

　　表 2、IEC 61000-4-4 嚴重性測試等級。

　　根據 IEC61000-4-4，通信線(xiàn)纜上的容性耦合鉗是對通信端口的測試電壓進(jìn)行耦合的首選方法。其中包括一根以太網(wǎng)線(xiàn)纜，這意味著(zhù)耦合不會(huì )產(chǎn)生到端口的任何電偶連接。另一個(gè)可行的耦合方法是直接通過(guò) 100-pF 的離散電容進(jìn)行耦合。我們應注意到，由于它的重復特性，EFT 事件還可以造成通信系統的不穩定行為。

　　瞬態(tài)保護電路指南

　　保護電路不應干擾受保護電路的正常行為，此外，其還必須防止任何電壓瞬態(tài)造成整個(gè)系統的重復性或非重復性的不穩定行為。為滿(mǎn)足這些要求，我們?yōu)殡娮酉到y的電壓瞬態(tài)保護設計規定了許多設計指南，瞬態(tài)電壓源可以分為差分型、共模型，或差分和共模合一型。瞬態(tài)電壓保護技術(shù)可分為屏蔽和接地、過(guò)濾、電氣隔離以及使用諸如二極管的非線(xiàn)性器件等類(lèi)型。阻斷和轉移 （diverTIng） 技術(shù)的結合使用實(shí)現了有效的電路保護。使用共模線(xiàn)圈可能是非常有必要的，但是所選的電壓抑制器的設計還必須符合應用的速度和穩健性要求。例如，必須對有低ESR的高電壓（高于或等于 2kV）使用能吸收直接瞬態(tài)沖擊的分路（線(xiàn)路對大地接地）電容器。

　　PoE電路保護

　　盡管在本文中討論的僅是通常在受保護設備內部署的二次側保護，但我們應注意到，對于室外電信光纜來(lái)說(shuō)，要求有一次側電信保護設備。

　　在PoE 應用中，PSE 是由 48-V 電源供電的。通常，PSE 會(huì )有一些與大地接地相連的共模電容。這些電容可以是離散電容，也可以是 PCB 板的層間電容，或兩類(lèi)電容的結合。由于 PSE 實(shí)際上并不是浮動(dòng)的，因此施加于數據連接器上的任何共模電壓瞬態(tài)都能造成 PSE 組件的電壓擊穿。對于 PSE 端口電源開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)說(shuō)，尤其如此。圖 2 顯示了該效應，并顯示了在沒(méi)有保護電路時(shí)，造成對 PSE 電源開(kāi)關(guān)晶體管損壞的大電流路徑。CCM 表示系統的 48-V 線(xiàn)路與外殼接地之間的共模電容。這可以是 48-V 電源的正或負（48-V回路）線(xiàn)路。為簡(jiǎn)化原理圖，僅在負極線(xiàn)路顯示了 CCM。該配置適用于使用 AC 斷接電路時(shí)的應用，該配置還要求使用 D1。AC 斷接電路的工作會(huì )導致瞬態(tài)保護出現最壞的情況。

　　圖 2、若沒(méi)有保護電路，一次 ESD 或 EFT 事件就可以毀壞 PSE 的主電源開(kāi)關(guān)。

　　在使用 RJ-45 線(xiàn)纜的應用中，通常不會(huì )使用先前提到的線(xiàn)纜屏蔽保護技術(shù)。不過(guò)，圖 3 中顯示的解決方案對 PSE 集成電路實(shí)施了充分的保護。當使用 AC 斷接電路時(shí)可采用該電路，若沒(méi)有使用該電路，則不需要 D1 和 D3。

　　圖 3、該保護電路配合使用阻斷元件（電感器）和轉移電路（BS 終端和鉗位二極管）避免了 ESD 和 EFT 事件產(chǎn)生的浪涌損害。

　　關(guān)鍵組件的參數

　　認真考慮以下保護電路中的每一個(gè)主要組件的關(guān)鍵參數是非常重要的。對于鉗位二極管 D2 和 D4 而言，關(guān)鍵參數是指前向恢復時(shí)間、瞬態(tài)電流能力以及前向電壓瞬態(tài)。TVS 二極管 D3 的關(guān)鍵參數是響應時(shí)間、電流處理能力以及低阻抗。只有當 D1 用于 AC 斷接功能時(shí)，才要求 D3。

　　若考慮到更為嚴重的浪涌問(wèn)題，比如 GR-1089-CORE 標準（樓宇間的雷電浪涌設計規范）中定義的浪涌，則 D2、D3（1500-W TVS）以及 D4 需要使用更為穩健的組件。負電壓瞬態(tài)要求有肖特基二極管 D1，同時(shí)也需要Bob Smith （BS） 終端或線(xiàn)路對接地電容器，因為最初的 ESD/EFT 瞬態(tài)是通過(guò)這些終端流向大地接地的。其他的主要組件是鐵氧體磁珠 FB1 和 FB2。這些組件提供了防止 C2 在高頻率時(shí)將終端短路的阻斷阻抗。48-V 總線(xiàn) （100nF） 上的去耦電容器以及橋接 TPS2384 的 P 與 N 終端的電容器必須是低阻抗陶瓷電容器。C1 和 C2 必須非?？拷Q位二極管 D1 和 D2。48-V 總線(xiàn) （D5） 上的 TVS 二極管通常的放置位置與 48-V 輸入連接器靠得很近。所有的器件都必須是表面貼裝封裝形式的，并帶有很低的寄生電感。

　　不管極性為正還是為負，保護組件均可避免瞬態(tài)電流進(jìn)入 TPS2384 芯片的 N 到 RTN 路徑，或 P 到 RTN 路徑。不過(guò)，這些瞬態(tài)電流由于瞬態(tài)源的不同，可能會(huì )有不同的路徑。圖 4 和圖 5 分別闡明了快速共模事件 ESD 或 EFT 的保護情況。

　　圖 4、本圖闡明了鐵氧體磁珠和鉗位二極管將正極ESD/EFT事件從TPS2384 芯片的P終端轉移到底座接地的電流路徑

　　
　　在瞬態(tài)事件發(fā)生前，C1 和 C2 上的直流電壓電平直接影響瞬態(tài)電流路徑。在 ESD 或 EFT 模擬中，BS 終端與鐵氧體磁珠一起在 ESD/EFT 抑制中發(fā)揮作用。此外，BS 終端還可用于 EMC 目的。這些電容器清楚地定義了 ESD 或 EFT 沖擊時(shí)的最初路徑。

　　圖 5、本圖闡明了鐵氧體磁珠和鉗位二極管將正極ESD/EFT事件從 TPS2384 芯片的 N 終端轉移到底座接地的電流路徑。

　　模擬可以提供在不同瞬態(tài)事件中可能的電壓大小的指示功能。線(xiàn)路對大地接地電容器上的最大可能電壓是 1kV，這表明選擇額定值為 2kV 的電容器是安全的。模擬還表明，應用 8-kV ESD 時(shí)，若同時(shí)存在 150-pF/330-HHM，則 BS 終端上 1-nF 電容器的電壓將小于 100V。對于Class 2 事件來(lái)說(shuō)，在浪涌測試中，施加到該電容器的最高電壓是 1kV。同理，對于 10-nF 的電容器來(lái)說(shuō)，200-V 的額定值也是安全的。不過(guò)，因為沒(méi)有定義一個(gè) ESD 線(xiàn)纜放電模型，因此還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)此類(lèi)模擬。對于四端口的 PSE 來(lái)說(shuō)，圖 6 顯示了一款推薦使用的電路板布局，其符合先前所述的所有設計指南。

　　圖 6、PSE PCB 板的設計遵循了提高電子系統穩健性的布局指南，以提高 ESD/EFT 事件保護能力。

　　很明顯，D2、D4、D3、D1、C1、C2以及電源輸入和 RJ-45 連接器必須靠得非常近，以使瞬態(tài)電流回路所占空間以及其生成的阻抗盡可能的小。在多端口應用中，推薦對每一組的兩個(gè)或四個(gè)端口使用與 C1 一樣的去耦電容器，并使每個(gè)電容的放置都靠近其相關(guān)組。為抑制器器件提供足夠的銅箔面積以促進(jìn)散熱也是非常重要的。另外一個(gè)注意事項是以太網(wǎng)接口電路通常要求數據線(xiàn)路驅動(dòng)電路要有數據線(xiàn)路保護器。不過(guò)，本文的重點(diǎn)是闡述用于 PoE 電路的保護技術(shù)。

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