PoE系統實(shí)施浪涌保護的巨大益處
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電氣過(guò)應力可以造成電子設備或系統的失效、永久性性能下降，或暫時(shí)性的不穩定行為。通信系統和應用電路的集成度越高，對電氣瞬態(tài)的敏感性也就越高。抑制這些瞬態(tài)對設計人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰，因為過(guò)壓的來(lái)源和嚴重程度可能是未知的。
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。[1-2]
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 1 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。
圖1、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。[3]
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。
ESD 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。
IEC 61000-4-2 標準模擬了來(lái)自持有金屬物體的人的 ESD 事件，稱(chēng)為人體金屬模型 (HMM)，可以分為直接接觸放電（接觸放電）或接近放電（空氣放電）。表 1 列出了接觸模式下的 ESD 發(fā)生器的波形參數，且在該模式下上升時(shí)間小于 1ns?？偟碾娏髅}沖持續時(shí)間大約為 150ns。
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。
電涌
就峰值電流和持續時(shí)間而言，電涌瞬態(tài)是最為嚴重的；而就上升時(shí)間而言，電涌瞬態(tài)則顯得不那么嚴重。它們是由雷擊（直接雷擊或間接雷擊造成的感應電壓和電流）或電源系統的切換（包括負載變化和短路）造成的。該瞬態(tài)的嚴重程度根據線(xiàn)纜安裝在樓宇內或樓宇外而有所不同。IEC 61000-4-5 將該瞬態(tài)定義為兩個(gè)浪涌波形：1.2
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