了解電氣瞬態(tài)的不同原因和特征，可以使設(shè)計(jì)人員利用離散保護(hù)電路對 PoE 系統(tǒng)進(jìn)行很好地保護(hù)，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(shí)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(jì)人員來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫^壓的來源和嚴(yán)重程度可能是未知的。
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(jìn)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(shí)現(xiàn)了電源供電；而通過備用雙絞線對實(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(gè)電位較低的物體時(shí)，就會引起相應(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。
ESD 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，并確保其對敏感電路不會造成損害是一項(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。
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(shí)間小于 1ns?？偟碾娏髅}沖持續(xù)時(shí)間大約為 150ns。
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(jìn)行測試以對他們的設(shè)計(jì)進(jìn)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(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 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?yàn)閮蓚€(gè)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(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(jìn)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(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。
電涌
就峰值電流和持續(xù)時(shí)間而言，電涌瞬態(tài)是最為嚴(yán)重的；而就上升時(shí)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(gè)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(hù)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(jì)規(guī)范）。
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(hù)能力。第一個(gè)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(shí)造成嚴(yán)重的損壞。第二個(gè)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(gè)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(jì)多點(diǎn)接地，而在沒有電流流過的地方采用單點(diǎn)接地。第四個(gè)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(shí)候，特別是在鉗位二極管連接到電源軌時(shí)）而言，上述規(guī)則是通過在負(fù)載點(diǎn)電源和接地之間使用陶瓷電容器實(shí)現(xiàn)的。
在電路布局過程中要采用的第五個(gè)規(guī)則是實(shí)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(gè)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(gè)規(guī)則是，每一個(gè)受保護(hù)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(gè)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(gè)即最后一個(gè)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(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(shí)，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(shí)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)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(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[6] 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 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)組件均可避免瞬態(tài)電流進(jìn)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(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 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(shí)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(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?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)。