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PoE接口如何抵御差分模式瞬態(tài)電壓

作者: 時(shí)間:2010-01-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
隨著以太網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域激增,在10/100和Gb端口上采用(以太網(wǎng)供電)的系統(tǒng)也在迅速增加。通過以太網(wǎng)電纜給遠(yuǎn)程設(shè)備供電的好處和成本優(yōu)勢(shì)使許多應(yīng)用(包括IP電話、數(shù)字視頻監(jiān)控、WLAN接入點(diǎn)及其他低壓網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng))得以實(shí)現(xiàn)。

典型的系統(tǒng)利用供電設(shè)備(PSE)通過以太網(wǎng)雙絞線把直流發(fā)送到遠(yuǎn)程受電設(shè)備(PD)。由于系統(tǒng)經(jīng)常受到瞬態(tài)的威脅,在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要問題之一,就是保護(hù)以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(PHY)能夠過壓沖擊。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/157662.htm

在PoE應(yīng)用增長的同時(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(xiàn)有效的芯片級(jí)ESD保護(hù)是不切實(shí)際的,因?yàn)樾酒娣e太小無法提供系統(tǒng)級(jí)魯棒性,另外要實(shí)現(xiàn)有效的芯片級(jí)保護(hù)成本也過高。為滿足全球標(biāo)準(zhǔn)的要求、并保證系統(tǒng)的可靠性,時(shí)下基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越強(qiáng)烈地要求使用更好的片外電路保護(hù)。

瞬態(tài)威脅

以太網(wǎng)易于受到各種瞬態(tài)過壓事件的攻擊,其中最常見的是靜電放電(ESD)、電纜放電和閃電電涌。另外,在PoE系統(tǒng)中,通過雙絞線傳送直流功率會(huì)引入一些特有的由連接引起的瞬態(tài)故障。

ESD是一種速度非??斓乃矐B(tài)脈沖。根據(jù)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)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(xù)時(shí)間為60納秒。大的電流尖峰和瞬態(tài)過程中包含的能量可能會(huì)損壞硅芯片的亞微米輸入結(jié)構(gòu)。

在摩擦帶電效應(yīng)或感應(yīng)等常規(guī)環(huán)境下,以太網(wǎng)電纜帶電后會(huì)發(fā)生電纜放電(CDE),或稱為電纜靜電放電(CESD)現(xiàn)象。把帶電的電纜插入系統(tǒng)是有危險(xiǎn)的。事實(shí)表明,電纜通過以太網(wǎng)磁通道向以太網(wǎng)端口放電會(huì)形成幾種不同的電涌。與ESD相類似,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(xù)時(shí)間較長的振蕩。對(duì)于以太網(wǎng)設(shè)計(jì)者來說,電纜放電波形中的能量會(huì)帶來比人體靜電放電更為嚴(yán)重的問題。

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

PoE應(yīng)用中的瞬態(tài)響應(yīng)

正如前面提到的,PoE的保護(hù)可能會(huì)特別具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)槌擞蒃SD和電涌引起的瞬態(tài)過程之外,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)傳輸線上引發(fā)電涌。這樣自然會(huì)對(duì)PHY造成災(zāi)難性的故障或難題,劇烈的沖擊可能會(huì)損壞IC。

大多數(shù)PoE電路設(shè)計(jì)者會(huì)采取某種形式的共模保護(hù)措施來保護(hù)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(shè)計(jì)者會(huì)錯(cuò)誤地忽視差分模式保護(hù)。以太網(wǎng)差分對(duì)利用變壓器、或者共模遏流把PHY與外部環(huán)境隔離開來。變壓器可對(duì)外部電壓提供高水平共模隔離,但不能對(duì)金屬性的、或差分的(線到線)電涌提供保護(hù)。

如圖1所示,PoE系統(tǒng)在差分對(duì)上存在+48V或-48V的電壓。在信號(hào)線對(duì)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)過程。

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


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