以太網(wǎng)供電浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案詳解

　　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。

　　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(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。

　　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。

　　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?！SD 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。

　　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。