了解電氣瞬態(tài)的不同原因和特征，可以使設(shè)計人員利用離散保護電路對 PoE 系統(tǒng)進行很好地保護，以避免電氣瞬態(tài)事件造成的損害。
電氣過應(yīng)力可以造成電子設(shè)備或系統(tǒng)的失效、永久性性能下降，或暫時性的不穩(wěn)定行為。通信系統(tǒng)和應(yīng)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(shè)計人員來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為過壓的來源和嚴(yán)重程度可能是未知的。
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)進行充分有效的保護。
以太網(wǎng)供電 (PoE) 設(shè)備是一種必須對敏感電源電路進行保護的系統(tǒng)。盡管 PoE 規(guī)范提供了過電流保護功能，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。[1-2]
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 1 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共模電壓差進行供電。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。
圖1、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)，對不同應(yīng)用中的瞬態(tài)過壓環(huán)境進行模擬或仿真。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。[3]
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，最后以外殼接地結(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。
IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)模擬了來自持有金屬物體的人的 ESD 事件，稱為人體金屬模型 (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(shù)，且在該模式下上升時間小于 1ns�？偟碾娏髅}沖持續(xù)時間大約為 150ns。
表 1、IEC 61000-4-2 波形參數(shù)。
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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）的方式進行充電。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) 進行測試以對他們的設(shè)計進行評估。極少數(shù)人認(rèn)為只要通過 IEC 等級 4 測試，就已足夠?qū)Υ祟惙烹娺M行保護了。
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)
一次電氣快速瞬態(tài) (EFT) 是開關(guān)和繼電器、馬達以及其他感應(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)重性測試等級。短路電流值通過用 50-Ω 電源阻抗對開路電壓分壓進行估算。
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進行耦合的首選方法。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 的離散電容進行耦合。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。
電涌
就峰值電流和持續(xù)時間而言，電涌瞬態(tài)是最為嚴(yán)重的；而就上升時間而言，電涌瞬態(tài)則顯得不那么嚴(yán)重。它們是由雷擊（直接雷擊或間接雷擊造成的感應(yīng)電壓和電流）或電源系統(tǒng)的切換（包括負(fù)載變化和短路）造成的。該瞬態(tài)的嚴(yán)重程度根據(jù)線纜安裝在樓宇內(nèi)或樓宇外而有所不同。IEC 61000-4-5 將該瞬態(tài)定義為兩個浪涌波形：1.2 ×50-μs 開路電壓波形和 8 ×20-μs 的短路電流波形。
IEC61000-4-5 Class 3 到 5 適合室外較高威脅等級情況下的應(yīng)用，以及一些特殊的室內(nèi)應(yīng)用。在絕大多數(shù)的 PoE 應(yīng)用中，僅考慮了室內(nèi)線纜安裝。此外，IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)還要求網(wǎng)絡(luò)能通過 1500-V 的對地絕緣測試。在本文中，僅考慮了非平衡式/平衡式數(shù)據(jù)線路的Class 2（半保護性環(huán)境）。這與 1 kV/24 A 的線路接地或500V/12 A的線路對線路級別相對應(yīng)。其他可能的標(biāo)準(zhǔn)包括ITU-T 建議：K.20、K.21、K.44，K.45[4] ，以及在一些情況下的 GR-1089CORE[5]（樓宇間的雷電浪涌設(shè)計規(guī)范）。
瞬態(tài)保護電路指南
保護電路不應(yīng)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。
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。
有九種基本的 PCB 板布局規(guī)則可以提高瞬態(tài)保護能力。第一個規(guī)則是定義一條低阻抗路徑，以將任何瞬態(tài)電流或電壓從敏感組件轉(zhuǎn)移開，否則 ESD 電流可能會在其搜尋系統(tǒng)的大地接地時造成嚴(yán)重的損壞。第二個規(guī)則是在 PCB 板上要有可靠的、低阻抗大地接地連接。第三個規(guī)則是保持瞬態(tài)電流密度和電流路徑阻抗盡可能的低，在有電流流過的地方設(shè)計多點接地，而在沒有電流流過的地方采用單點接地。第四個規(guī)則是使快速上升電流的循環(huán)回路盡可能的低。對于快速瞬態(tài)（在有必要的任何時候，特別是在鉗位二極管連接到電源軌時）而言，上述規(guī)則是通過在負(fù)載點電源和接地之間使用陶瓷電容器實現(xiàn)的。
在電路布局過程中要采用的第五個規(guī)則是實現(xiàn)高電壓或高電流瞬態(tài)區(qū)域與敏感電路的物理層面隔離，即使這些區(qū)域必須靠近 I/O 連接器。
需要特別指出的是，應(yīng)將大電流抑制器放置到 I/O 區(qū)域、開關(guān)、LED 以及顯示器處。第六個規(guī)則是在條件允許的情況下，將所有的連接器都放置于電路板的一邊，而敏感電路則放置于 PCB 板的中央。第七個規(guī)則是，每一個受保護的信號都應(yīng)以與其單一回波信號平行的方式從抑制器電路路由到敏感電路，以防止任何未引起注意的變壓器影響。第八個規(guī)則是確保抑制器使用表面貼裝封裝，并使用四端子連接以減輕寄生電感的影響。與之相類似，第九個即最后一個規(guī)則是確保 PCB 板的布局不會引入任何會對瞬態(tài)阻斷串聯(lián)組件造成旁路的寄生電容。不過，串聯(lián)阻止組件中存在寄生電感并不會造成多大影響。
PoE電路保護
盡管在本文中討論的僅是通常在受保護設(shè)備內(nèi)部署的二次側(cè)保護，但我們應(yīng)注意到，對于室外電信光纜來說，要求有一次側(cè)電信保護設(shè)備。
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)保護出現(xiàn)最壞的情況。
圖 2、若沒有保護電路，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，通常不會使用先前提到的線纜屏蔽保護技術(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。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)真考慮以下保護電路中的每一個主要組件的關(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[6] 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，比如 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，因為最初的 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 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)，保護組件均可避免瞬態(tài)電流進入 TPS2384 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(zhuǎn)移到底座接地的電流路徑。
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。
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 沖擊時的最初路徑。
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，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，施加到該電容器的最高電壓是 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，因此還沒有進行過此類模擬。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，推薦對每一組的兩個或四個端口使用與 C1 一樣的去耦電容器，并使每個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散熱也是非常重要的。另外一個注意事項是以太網(wǎng)接口電路通常要求數(shù)據(jù)線路驅(qū)動電路要有數(shù)據(jù)線路保護器。不過，本文的重點是闡述用于 PoE 電路的保護技術(shù)。
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