以太網(wǎng)供電浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)一款電子電路或定義一個(gè)完整系統(tǒng)時(shí)，確定這些應(yīng)力源，并正確理解它們的機(jī)制以正確定義操作系統(tǒng)的環(huán)境是非常重要的。這樣做可以使您定義簡單的設(shè)計(jì)規(guī)則，并利用低成本的解決方案對(duì)敏感的電子系統(tǒng)進(jìn)行充分有效的保護(hù)。以太網(wǎng)供電 (PoE) 設(shè)備是一種必須對(duì)敏感電源電路進(jìn)行保護(hù)的系統(tǒng)。盡管 PoE 規(guī)范提供了過電流保護(hù)功能，但對(duì)那些會(huì)損害其他類型電源設(shè)備的電氣瞬態(tài)來說，這些系統(tǒng)也很易遭受同樣的損害。

在 PoE 設(shè)備中，供電設(shè)備 (PSE) 將電源通過以太網(wǎng)線纜供應(yīng)到用電設(shè)備 (PD) 中。如圖 所示，通過以太網(wǎng)線纜數(shù)據(jù)通道所用的兩條雙絞線對(duì)的共模電壓差進(jìn)行供電。通過使用額外的備用雙絞線對(duì)，可以提供更多的電力。PoE 的應(yīng)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)線纜或設(shè)備通常為室內(nèi)使用，但是也可以用于室外應(yīng)用。

在本單端口 PoE 應(yīng)用例子中，通過以太網(wǎng)線纜的信號(hào)對(duì)實(shí)現(xiàn)了電源供電;而通過備用雙絞線對(duì)實(shí)現(xiàn)了更多電力供應(yīng)。

PoE 應(yīng)用中的瞬態(tài)

當(dāng)前已開發(fā)了許多標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同應(yīng)用中的瞬態(tài)過壓環(huán)境進(jìn)行模擬或仿真。例如，根據(jù) IEC 瞬態(tài)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，瞬態(tài)可以分為以下三大類：　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(biāo)準(zhǔn)也定義了應(yīng)用于每一瞬態(tài)類別的抗擾度測(cè)試方法，并且它們還向瞬態(tài)抑制組件的廠家提供了一些符合特定組件特征的標(biāo)準(zhǔn)化波形和過電壓電平。

靜電放電 (ESD)

ESD 是由兩種絕緣材料接觸、分開而引起的電荷累加造成的;當(dāng)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(yīng)的能量釋放。例如，當(dāng)人走過地毯時(shí)，就可以產(chǎn)生超過 1.5kV 的電荷?！SD 是一種共模電氣事件，并且是通過電氣路徑，從一個(gè)元件到另一個(gè)元件的放電現(xiàn)象，最后以外殼接地結(jié)束。清楚地確定電流路徑，并確保其對(duì)敏感電路不會(huì)造成損害是一項(xiàng)很重要的設(shè)計(jì)指南。一個(gè)更好的選項(xiàng)就是為放電電流提供一個(gè)替代放電路徑，以繞過該敏感電路。

表 1、IEC 61000-4-2 波形參數(shù)。

另一個(gè)威脅因素是線纜放電事件。當(dāng)以太網(wǎng)線纜充電，并放電到與該線纜相連的一個(gè)電路中時(shí)，就會(huì)發(fā)生線纜放電事件。線纜也能通過摩擦帶電(例如，將線纜在地毯上拖曳)或通過感應(yīng)(例如，來自持有線纜的帶電人體)的方式進(jìn)行充電。目前還未確定用特定的測(cè)試方法來定義線纜放電的標(biāo)準(zhǔn)。絕大多數(shù)的廠商都使用內(nèi)部線纜放電事件 (CDE) 對(duì)設(shè)備 (setup) 進(jìn)行測(cè)試以對(duì)他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。極少數(shù)人認(rèn)為只要通過 IEC 等級(jí) 4 測(cè)試，就已足夠?qū)Υ祟惙烹娺M(jìn)行保護(hù)了。

不過，那種認(rèn)為只要設(shè)備通過 IEC 61000-4-2 等級(jí) 4 放電測(cè)試，就可以通過 CDE 測(cè)試的看法，之所以不是不變的真理，是因?yàn)閮蓚€(gè)測(cè)試中所用的帶電電容有很大區(qū)別，即 IEC ESD 為 150 pF，而 CDE 的電容則要大的多，這取決于所用線纜長度以及線纜相對(duì)地面的高度。在集中式電容 (lumped capacitance) 之外，也有來自傳輸線路的分布式電容。CDE 中的放電通常會(huì)比 IEC 等級(jí) 4 中的放電釋放更多的能量到所測(cè)設(shè)備中。

電氣快速瞬態(tài)

一次電氣快速瞬態(tài) (EFT) 是開關(guān)和繼電器、馬達(dá)以及其他感應(yīng)負(fù)載電弧接觸的結(jié)果，這在工業(yè)環(huán)境中是很常見的。通常，該類型的瞬態(tài)是共模型的，并通過電容耦合引入通信線纜中。 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(xiàn)。表 2 歸納了嚴(yán)重性測(cè)試等級(jí)。短路電流值通過用 50-Ω 電源阻抗對(duì)開路電壓分壓進(jìn)行估算。

表 2、IEC 61000-4-4 嚴(yán)重性測(cè)試等級(jí)

根據(jù) IEC61000-4-4，通信線纜上的容性耦合鉗是對(duì)通信端口的測(cè)試電壓進(jìn)行耦合的首選方法。其中包括一根以太網(wǎng)線纜，這意味著耦合不會(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 100-pF 的離散電容進(jìn)行耦合。我們應(yīng)注意到，由于它的重復(fù)特性，EFT 事件還可以造成通信系統(tǒng)的不穩(wěn)定行為。

瞬態(tài)保護(hù)電路指南

保護(hù)電路不應(yīng)干擾受保護(hù)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(tǒng)的重復(fù)性或非重復(fù)性的不穩(wěn)定行為。為滿足這些要求，我們?yōu)殡娮酉到y(tǒng)的電壓瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定了許多設(shè)計(jì)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(hù)技術(shù)可分為屏蔽和接地、過濾、電氣隔離以及使用諸如二極管的非線性器件等類型。阻斷和轉(zhuǎn)移 (diverting) 技術(shù)的結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)了有效的電路保護(hù)。使用共模線圈可能是非常有必要的，但是所選的電壓抑制器的設(shè)計(jì)還必須符合應(yīng)用的速度和穩(wěn)健性要求。例如，必須對(duì)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(線路對(duì)大地接地)電容器。

PoE電路保護(hù)

盡管在本文中討論的僅是通常在受保護(hù)設(shè)備內(nèi)部署的二次側(cè)保護(hù)，但我們應(yīng)注意到，對(duì)于室外電信光纜來說，要求有一次側(cè)電信保護(hù)設(shè)備。

在PoE 應(yīng)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，或兩類電容的結(jié)合。由于 PSE 實(shí)際上并不是浮動(dòng)的，因此施加于數(shù)據(jù)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(duì)于 PSE 端口電源開關(guān)晶體管來說，尤其如此。圖 2 顯示了該效應(yīng)，并顯示了在沒有保護(hù)電路時(shí)，造成對(duì) PSE 電源開關(guān)晶體管損壞的大電流路徑。CCM 表示系統(tǒng)的 48-V 線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(fù)(48-V回路)線路。為簡化原理圖，僅在負(fù)極線路顯示了 CCM。該配置適用于使用 AC 斷接電路時(shí)的應(yīng)用，該配置還要求使用 D1。AC 斷接電路的工作會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)保護(hù)出現(xiàn)最壞的情況。

圖 2、若沒有保護(hù)電路，一次 ESD 或 EFT 事件就可以毀壞 PSE 的主電源開關(guān)。

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

圖 3、該保護(hù)電路配合使用阻斷元件(電感器)和轉(zhuǎn)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(shù)

認(rèn)真考慮以下保護(hù)電路中的每一個(gè)主要組件的關(guān)鍵參數(shù)是非常重要的。對(duì)于鉗位二極管 D2 和 D4 而言，關(guān)鍵參數(shù)是指前向恢復(fù)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(shù)是響應(yīng)時(shí)間、電流處理能力以及低阻抗。只有當(dāng) D1 用于 AC 斷接功能時(shí)，才要求 D3。

若考慮到更為嚴(yán)重的浪涌問題，比如 GR-1089-CORE 標(biāo)準(zhǔn)(樓宇間的雷電浪涌設(shè)計(jì)規(guī)范)中定義的浪涌，則 D2、D3(1500-W TVS)以及 D4 需要使用更為穩(wěn)健的組件。負(fù)電壓瞬態(tài)要求有肖特基二極管 D1，同時(shí)也需要Bob Smith (BS) 終端或線路對(duì)接地電容器，因?yàn)樽畛醯?ESD/EFT 瞬態(tài)是通過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 (100nF) 上的去耦電容器以及橋接 TPS2384($5.3438) 的 P 與 N 終端的電容器必須是低阻抗陶瓷電容器。C1 和 C2 必須非常靠近鉗位二極管 D1 和 D2。48-V 總線 (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(fù)，保護(hù)組件均可避免瞬態(tài)電流進(jìn)入 TPS2384($5.3438) 芯片的 N 到 RTN 路徑，或 P 到 RTN 路徑。不過，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(hù)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($5.3438) 芯片的P終端轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。線路對(duì)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(yīng)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(duì)于Class 2 事件來說，在浪涌測(cè)試中，施加到該電容器的最高電壓是 1kV。同理，對(duì)于 10-nF 的電容器來說，200-V 的額定值也是安全的。不過，因?yàn)闆]有定義一個(gè) ESD 線纜放電模型，因此還沒有進(jìn)行過此類模擬。對(duì)于四端口的 PSE 來說，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(shè)計(jì)指南。

圖 6、PSE PCB 板的設(shè)計(jì)遵循了提高電子系統(tǒng)穩(wěn)健性的布局指南，以提高 ESD/EFT 事件保護(hù)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(yīng)用中，推薦對(duì)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(xiàng)是以太網(wǎng)接口電路通常要求數(shù)據(jù)線路驅(qū)動(dòng)電路要有數(shù)據(jù)線路保護(hù)器。不過，本文的重點(diǎn)是闡述用于 PoE 電路的保護(hù)技術(shù)。