以太網(wǎng)供電浪涌保護電路設(shè)計方案詳解

　　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。

　　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。

　　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。

　　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?！SD 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。

　　表 1、IEC 61000-4-2 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。

　　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。