PoE係統實施浪湧保護的巨大益處

　　了解電氣瞬態的不同原因和特征，可以使設計人員利用離散保護電路對係統進行很好地保護，以避免電氣瞬態事件造成的損害。

　　電氣過應力可以造成電子設備或係統的失效、永久性性能下降，或暫時性的不穩定行為。通信係統和應用電路的集成度越高，對電氣瞬態的敏感性也就越高。抑製這些瞬態對設計人員來說是一個巨大的挑戰，因為過壓的來源和嚴重程度可能是未知的。

　　設計一款電子電路或定義一個完整係統時，確定這些應力源，並正確理解它們的機製以正確定義操作係統的環境是非常重要的。這樣做可以使您定義簡單的設計規則，並利用低成本的解決方案對敏感的電子係統進行充分有效的保護。

　　以太網供電 (PoE) 設備是一種必須對敏感電源電路進行保護的係統。盡管 PoE 規範提供了過電流保護功能，但對那些會損害其他類型電源設備的電氣瞬態來說，這些係統也很易遭受同樣的損害。[1-2]

　　在 PoE 設備中，供電設備 () 將電源通過以太網線纜供應到用電設備 (PD) 中。如圖 1 所示，通過以太網線纜數據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 的應用範圍很廣，其中包括辦公和工業網絡等環境。以太網線纜或設備通常為室內使用，但是也可以用於室外應用。

在本單端口 PoE 應用例子中，通過以太網線纜的信號對實現了電源供電；而通過備用雙絞線對實現了更多電力供應

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圖1、在本單端口 PoE 應用例子中，通過以太網線纜的信號對實現了電源供電；而通過備用雙絞線對實現了更多電力供應。

　　PoE 應用中的瞬態

　　當前已開發了許多標準，對不同應用中的瞬態過壓環境進行模擬或仿真。例如，根據 IEC 瞬態抗擾度標準，瞬態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/脈衝群 (EFT)；
IEC 61000-4-5：浪湧。

　　這些 IEC 標準也定義了應用於每一瞬態類別的抗擾度測試方法，並且它們還向瞬態抑製組件的廠家提供了一些符合特定組件特征的標準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；當帶電體接近另一個電位較低的物體時，就會引起相應的能量釋放。例如，當人走過地毯時，就可以產生超過 1.5kV 的電荷。

　　ESD 是一種共模電氣事件，並且是通過電氣路徑，從一個元件到另一個元件的放電現象，最後以外殼接地結束。清楚地確定電流路徑，並確保其對敏感電路不會造成損害是一項很重要的設計指南。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 標準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 發生器的波形參數，且在該模式下上升時間小於 1ns。總的電流脈衝持續時間大約為 150ns。

表 1、IEC 61000-4-2 波形參數。

IEC 61000-4-2 波形參數

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　　另一個威脅因素是線纜放電事件。當以太網線纜充電，並放電到與該線纜相連的一個電路中時，就會發生線纜放電事件。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（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準。絕大多數的廠商都使用內部線纜放電事件 (CDE) 對設備 (setup) 進行測試以對他們的設計進行評估。極少數人認為隻要通過 IEC 等級 4 測試，就已足夠對此類放電進行保護了。

　　不過，那種認為隻要設備通過 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別，即 IEC ESD 為 150 pF，而 CDE 的電容則要大的多，這取決於所用線纜長度以及線纜相對地麵的高度。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備中。

　　電氣快速瞬態

　　一次電氣快速瞬態 (EFT) 是開關和繼電器、馬達以及其他感應負載電弧接觸的結果，這在工業環境中是很常見的。通常，該類型的瞬態是共模型的，並通過電容耦合引入通信線纜中。IEC61000-4-4 將該瞬態定義為一係列非常短的高壓尖峰，以 5kHz 到 100kHz 的頻率出現。表 2 歸納了嚴重性測試等級。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 嚴重性測試等級。

IEC 61000-4-4 嚴重性測試等級

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　　根據 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線纜，這意味著耦合不會產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。我們應注意到，由於它的重複特性，EFT 事件還可以造成通信係統的不穩定行為。

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　　電湧

　　就峰值電流和持續時間而言，電湧瞬態是最為嚴重的；而就上升時間而言，電湧瞬態則顯得不那麼嚴重。它們是由雷擊（直接雷擊或間接雷擊造成的感應電壓和電流）或電源係統的切換（包括負載變化和短路）造成的。該瞬態的嚴重程度根據線纜安裝在樓宇內或樓宇外而有所不同。IEC 61000-4-5 將該瞬態定義為兩個浪湧波形：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用，以及一些特殊的室內應用。在絕大多數的應用中，僅考慮了室內線纜安裝。此外，IEEE 802.3 標準還要求網絡能通過 1500-V 的對地絕緣測試。在本文中，僅考慮了非平衡式/平衡式數據線路的Class 2（半保護性環境）。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。其他可能的標準包括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]（樓宇間的雷電浪湧設計規範）。

　　瞬態保護電路指南

　　保護電路不應幹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造成整個係統的重複性或非重複性的不穩定行為。為滿足這些要求，我們為電子係統的電壓瞬態保護設計規定了許多設計指南。

　　瞬態電壓源可以分為差分型、共模型，或差分和共模合一型。瞬態電壓保護技術可分為屏蔽和接地、過濾、電氣隔離以及使用諸如二極管的非線性器件等類型。阻斷和轉移 (diverting) 技術的結合使用實現了有效的電路保護。

　　使用共模線圈可能是非常有必要的，但是所選的電壓抑製器的設計還必須符合應用的速度和穩健性要求。例如，必須對有低ESR的高電壓（高於或等於 2kV）使用能吸收直接瞬態衝擊的分路（線路對大地接地）電容器。

　　有九種基本的 PCB 板布局規則可以提高瞬態保護能力。第一個規則是定義一條低阻抗路徑，以將任何瞬態電流或電壓從敏感組件轉移開，否則 ESD 電流可能會在其搜尋係統的大地接地時造成嚴重的損壞。第二個規則是在 PCB 板上要有可靠的、低阻抗大地接地連接。第三個規則是保持瞬態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。第四個規則是使快速上升電流的循環回路盡可能的低。對於快速瞬態（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，上述規則是通過在負載點電源和接地之間使用陶瓷電容器實現的。

　　在電路布局過程中要采用的第五個規則是實現高電壓或高電流瞬態區域與敏感電路的物理層麵隔離，即使這些區域必須靠近 I/O 連接器。

　　需要特別指出的是，應將大電流抑製器放置到 I/O 區域、開關、LED 以及顯示器處。第六個規則是在條件允許的情況下，將所有的連接器都放置於電路板的一邊，而敏感電路則放置於 PCB 板的中央。第七個規則是，每一個受保護的信號都應以與其單一回波信號平行的方式從抑製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。第八個規則是確保抑製器使用表麵貼裝封裝，並使用四端子連接以減輕寄生電感的影響。與之相類似，第九個即最後一個規則是確保 PCB 板的布局不會引入任何會對瞬態阻斷串聯組件造成旁路的寄生電容。不過，串聯阻止組件中存在寄生電感並不會造成多大影響。

　　PoE電路保護

　　盡管在本文中討論的僅是通常在受保護設備內部署的二次側保護，但我們應注意到，對於室外電信光纜來說，要求有一次側電信保護設備。

　　在PoE 應用中，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，或兩類電容的結合。由於 PSE 實際上並不是浮動的，因此施加於數據連接器上的任何共模電壓瞬態都能造成 PSE 組件的電壓擊穿。對於 PSE 端口電源開關晶體管來說，尤其如此。圖 2 顯示了該效應，並顯示了在沒有保護電路時，造成對 PSE 電源開關晶體管損壞的大電流路徑。CCM 表示係統的 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（48-V回路）線路。為簡化原理圖，僅在負極線路顯示了 CCM。該配置適用於使用 AC 斷接電路時的應用，該配置還要求使用 D1。AC 斷接電路的工作會導致瞬態保護出現最壞的情況。

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

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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。

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　　在使用 RJ-45 線纜的應用中，通常不會使用先前提到的線纜屏蔽保護技術。不過，圖 3 中顯示的解決方案對集成電路實施了充分的保護。當使用 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。

該保護電路配合使用阻斷元件（電感器）和轉移電路（BS 終端和鉗位二極管）避免了 ESD 和 EFT 事件產生的浪湧損害

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圖 3、該保護電路配合使用阻斷元件（電感器）和轉移電路（BS 終端和鉗位二極管）避免了 ESD 和 EFT 事件產生的浪湧損害。

　　關鍵組件的參數

　　認真考慮以下保護電路中的每一個主要組件的關鍵參數是非常重要的。對於鉗位二極管 D2 和 D4 而言，關鍵參數是指前向恢複時間、瞬態電流能力以及前向電壓瞬態。TVS 二極管[6] D3 的關鍵參數是響應時間、電流處理能力以及低阻抗。隻有當 D1 用於 AC 斷接功能時，才要求 D3。

　　若考慮到更為嚴重的浪湧問題，比如 GR-1089-CORE 標準（樓宇間的雷電浪湧設計規範）中定義的浪湧，則 D2、D3（1500-W TVS）以及 D4 需要使用更為穩健的組件。負電壓瞬態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麵貼裝封裝形式的，並帶有很低的寄生電感。

　　不管極性為正還是為負，保護組件均可避免瞬態電流進入 TPS2384 芯片的 N 到 RTN 路徑，或 P 到 RTN 路徑。不過，這些瞬態電流由於瞬態源的不同，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。

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 終端轉移到底座接地的電流路徑

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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終端轉移到底座接地的電流路徑。

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 終端轉移到底座接地的電流路徑

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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 終端轉移到底座接地的電流路徑。

　　在瞬態事件發生前，C1 和 C2 上的直流電壓電平直接影響瞬態電流路徑。在 ESD 或 EFT 模擬中，BS 終端與鐵氧體磁珠一起在 ESD/EFT 抑製中發揮作用。此外，BS 終端還可用於 EMC 目的。這些電容器清楚地定義了 ESD 或 EFT 衝擊時的最初路徑。

　　模擬可以提供在不同瞬態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 電容器的電壓將小於 100V。對於Class 2 事件來說，在浪湧測試中，施加到該電容器的最高電壓是 1kV。同理，對於 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。對於四端口的 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計指南。

PSE PCB 板的設計遵循了提高電子係統穩健性的布局指南，以提高 ESD/EFT 事件保護能力

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　　圖 6、PSE PCB 板的設計遵循了提高電子係統穩健性的布局指南，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，並使每個電容的放置都靠近其相關組。為抑製器器件提供足夠的銅箔麵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接口電路通常要求數據線路驅動電路要有數據線路保護器。不過，本文的重點是闡述用於電路的保護技術。

　　參考書目及信息

　　1、《電子電路的過壓保護》作者：Standler, Ronald B，2002 年版，由 Dover Publications Inc. 公司出版。

　 2、《PoE 的電氣瞬態抗擾度》，網址：http:focus.ti.com/lit/an/slva233a/slva233a.pdf.

　　3、IEC 61000-4-2、61000-4-4 以及 61000-4-5，網址：.

　 4、ITU-T 建議：K.20、K.21、K.44 以及 K.45，網址：。

　　5、《Telcordia GR-1089-CORE》，第四期，網址：。

　 6、《Semtech AN96-07》、《TVS 二極管應用手冊》，2002 年 4 月 4 日修訂版，網址：。