以太網(wǎng)供電浪涌保護(hù)電路設(shè)計方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 以太網(wǎng)供電浪涌保護(hù)電路設(shè)計方案 設(shè)計一款電子電路或定義一個完整系統(tǒng)時，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)計規(guī)則，并利用低成本的解決方案對敏感的電子系統(tǒng)開展充分有效的保護(hù)。以太網(wǎng)供電 （PoE） 設(shè)備是一種必須對敏感電源電路開展保護(hù)的系統(tǒng)。盡管 PoE 規(guī)范提供了過電流保護(hù)功能，但對那些會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)線纜供給到用電設(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的

2、共模電壓差開展供電。通過使用額外的備用雙絞線對，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)線纜的信號對實現(xiàn)了電源供電；而通過備用雙絞線對實現(xiàn)了更多電力供給。 PoE 應(yīng)用中的瞬態(tài) 當(dāng)前已開發(fā)了許多標(biāo)準(zhǔn)，對不同應(yīng)用中的瞬態(tài)過壓環(huán)境開展模擬或仿真。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

3、標(biāo)準(zhǔn)也定義了應(yīng)用于每一瞬態(tài)類別的抗擾度測試方法，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)帶電體接近另一個電位較低的物體時，就會引起相應(yīng)的能量釋放。例如，當(dāng)人走過地毯時，就可以產(chǎn)生超過 1.5kV 的電荷。ESD 是一種共模電氣事件，并且是通過電氣路徑，從一個元件到另一個元件的放電現(xiàn)象，以外殼接地結(jié)束。清楚地確定電流路徑，并確保其對敏感電路不會造成損害是一項很重要的設(shè)計指南。一個更好的選項就是為放電電流提供一個替代放電路徑，以繞過該敏感電路。 表 1、IEC 61000-

4、4-2 波形參數(shù)。 另一個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電路中時，就會發(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）的方式開展充電。目前還未確定用特定的測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） 對設(shè)備 （setup） 開展測試以對他們的設(shè)計開展評估。極少數(shù)人認(rèn)為只要通過 IEC 等級 4 測試，就已足夠?qū)Υ祟惙烹婇_展保護(hù)了。 不過，那種認(rèn)為只要設(shè)備通過 IEC 61000-4-2 等級 4 放電測試，就可以通過 CDE 測試的看法，之所以不是不變的真理，是因

5、為兩個測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 中的放電通常會比 IEC 等級 4 中的放電釋放更多的能量到所測設(shè)備中。 電氣快速瞬態(tài) 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

6、的頻率出現(xiàn)。表 2 歸納了嚴(yán)重性測試等級。短路電流值通過用 50- 電源阻抗對開路電壓分壓開展估算。 表 2、IEC 61000-4-4 嚴(yán)重性測試等級 根據(jù) IEC61000-4-4，通信線纜上的容性耦合鉗是對通信端口的測試電壓開展耦合的方法。其中包括一根以太網(wǎng)線纜，這意味著耦合不會產(chǎn)生到端口的任何電偶連接。另一個可行的耦合方法是直接通過 100-pF 的離散電容開展耦合。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

7、，我們?yōu)殡娮酉到y(tǒng)的電壓瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計規(guī)定了許多設(shè)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(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)計還必須符合應(yīng)用的速度和穩(wěn)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（線路對大地接地）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，對于室外電信光纜來說，要求有側(cè)電信保護(hù)設(shè)備。

8、 在PoE 應(yīng)用中，PSE 是由 48-V 電源供電的。通常，PSE 會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 實際上并不是浮動的，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，造成對 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

9、用 AC 斷接電路時的應(yīng)用，該配置還要求使用 D1。AC 斷接電路的工作會導(dǎo)致瞬態(tài)保護(hù)出現(xiàn)壞的情況。 圖 2、若沒有保護(hù)電路， 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 PSE 集成電路實施了充分的保護(hù)。當(dāng)使用 AC 斷接電路時可采用該電路，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）防止了 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)電路中的每一個主要組件的

10、關(guān)鍵參數(shù)是非常重要的。對于鉗位二極管 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，才要求 D3。 若考慮到更為嚴(yán)重的浪涌問題，比方 GR-1089-CORE 標(biāo)準(zhǔn)（樓宇間的雷電浪涌設(shè)計規(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，同時也需要Bob Smith （BS） 終端或線路對接地電容器，因為初的 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

11、磁珠 FB1 和 FB2。這些組件提供了防止 C2 在高頻率時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?？拷Q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)組件均可防止瞬態(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

12、態(tài)源的不同，可能會有不同的路徑。圖 4 和圖 5 分別說明了快速共模事件 ESD 或 EFT 的保護(hù)情況。 圖 4、本圖說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 沖擊時的初路徑。 圖 5、本圖說明了鐵氧體磁珠和鉗位二極管將正極ESD/EFT事件從 TPS2384 芯片

13、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。線路對大地接地電容器上的可能電壓是 1kV，這說明選擇額定值為 2kV 的電容器是安全的。模擬還說明，應(yīng)用 8-kV ESD 時，若同時存在 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 事件來說，在浪涌測試中，施加到該電容器的電壓是 1kV。同理，對于 10-nF 的電容器來說，200-V 的額定值也是安全的。不過，因為沒有定義一個 ESD 線纜放電模型，因此還沒有開展過此類模擬。對于四端口的 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)計指南。 圖 6、PSE PCB 板的設(shè)計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、