PoE接口如何抵御差分模式瞬態(tài)電壓

隨著以太網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域激增，在10/100和Gb端口上采用PoE(以太網(wǎng)供電)的系統(tǒng)也在迅速增加。通過(guò)以太網(wǎng)電纜給遠(yuǎn)程設(shè)備供電的好處和成本優(yōu)勢(shì)使許多應(yīng)用(包括IP電話、數(shù)字視頻監(jiān)控、WLAN接入點(diǎn)及其他低壓網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng))得以實(shí)現(xiàn)。

典型的PoE系統(tǒng)利用供電設(shè)備(PSE)通過(guò)以太網(wǎng)雙絞線把直流電壓發(fā)送到遠(yuǎn)程受電設(shè)備(PD)。由于PoE系統(tǒng)經(jīng)常受到瞬態(tài)電壓的威脅，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題之一，就是保護(hù)以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(PHY)能夠抵御過(guò)壓沖擊。

在PoE應(yīng)用增長(zhǎng)的同時(shí)，以太網(wǎng)PHY的尺寸也在迅速縮小。目前，以太網(wǎng)PHY大多使用90nm技術(shù)制造，但芯片制造商即將推出采用65nm工藝技術(shù)制造的尺寸更小的產(chǎn)品。事實(shí)表明，采用這些先進(jìn)的制造工藝時(shí)，在CMOS上實(shí)現(xiàn)有效的芯片級(jí)ESD保護(hù)是不切實(shí)際的，因?yàn)樾酒娣e太小無(wú)法提供系統(tǒng)級(jí)魯棒性，另外要實(shí)現(xiàn)有效的芯片級(jí)保護(hù)成本也過(guò)高。為滿足全球標(biāo)準(zhǔn)的要求、并保證系統(tǒng)的可靠性，時(shí)下基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越強(qiáng)烈地要求使用更好的片外電路保護(hù)。

瞬態(tài)電壓威脅

以太網(wǎng)接口易于受到各種瞬態(tài)過(guò)壓事件的攻擊，其中最常見(jiàn)的是靜電放電(ESD)、電纜放電和閃電電涌。另外，在PoE系統(tǒng)中，通過(guò)雙絞線傳送直流功率會(huì)引入一些特有的由差分模式連接引起的瞬態(tài)故障。

ESD是一種速度非常快的瞬態(tài)脈沖。根據(jù)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)給出的模型，ESD波形的上升時(shí)間為700皮秒到1納秒，從脈沖峰值電流衰減到50%的脈沖持續(xù)時(shí)間為60納秒。大的電流尖峰和瞬態(tài)過(guò)程中包含的能量可能會(huì)損壞硅芯片的亞微米輸入結(jié)構(gòu)。

在摩擦帶電效應(yīng)或感應(yīng)等常規(guī)環(huán)境下，以太網(wǎng)電纜帶電后會(huì)發(fā)生電纜放電(CDE)，或稱為電纜靜電放電(CESD)現(xiàn)象。把帶電的電纜插入系統(tǒng)接口是有危險(xiǎn)的。事實(shí)表明，電纜通過(guò)以太網(wǎng)磁通道向以太網(wǎng)端口放電會(huì)形成幾種不同模式的電涌。與ESD相類似，電纜放電電涌的上升時(shí)間很短(不到1納秒)，但與ESD不同，其繼發(fā)波形存在極性快速變化且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的振蕩。對(duì)于以太網(wǎng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，電纜放電波形中的能量會(huì)帶來(lái)比人體靜電放電更為嚴(yán)重的問(wèn)題。

在網(wǎng)絡(luò)連接中，閃電電涌是一種常見(jiàn)的威脅。閃電沖擊可以在以太網(wǎng)線上感生出可能會(huì)傳送到以太網(wǎng)PHY的高壓脈沖。與納秒級(jí)的ESD事件不同，閃電電涌的持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)。EMC業(yè)界用上升時(shí)間(毫秒級(jí))、尖峰脈沖電流和下降時(shí)間來(lái)描述這種脈沖。閃電沖擊的能量比ESD級(jí)別的沖擊大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

PoE應(yīng)用中的差分模式瞬態(tài)響應(yīng)

正如前面提到的，PoE接口的保護(hù)可能會(huì)特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槌擞蒃SD和電涌引起的瞬態(tài)過(guò)程之外，在連接直流電源時(shí)，有幾種經(jīng)常發(fā)生的情形會(huì)在以太網(wǎng)傳輸線上引發(fā)差分電涌。這樣自然會(huì)對(duì)PHY造成災(zāi)難性的故障或難題，劇烈的沖擊可能會(huì)損壞IC。

大多數(shù)PoE電路設(shè)計(jì)者會(huì)采取某種形式的共模保護(hù)措施來(lái)保護(hù)PoE電路，常用的方式包括使用與地層相連的共模電容器、或跨接在電源兩端的TVS瞬態(tài)電壓抑制器，后者依靠速度非常快的肖特基二極管把電流引向地。然而，許多設(shè)計(jì)者會(huì)錯(cuò)誤地忽視差分模式保護(hù)。以太網(wǎng)差分對(duì)利用變壓器、或者共模遏流把PHY與外部環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)。變壓器可對(duì)外部電壓提供高水平共模隔離，但不能對(duì)金屬性的、或差分的(線到線)電涌提供保護(hù)。

如圖1所示，PoE系統(tǒng)在差分對(duì)上存在+48V或-48V的電壓。在信號(hào)線對(duì)中，這個(gè)直流電壓是公有的，因而差分直流電壓為0伏。然而，在一些情況下，接電可能會(huì)引入瞬態(tài)過(guò)程。

圖1：典型的PoE電路。（供電設(shè)備(PSE)、受電設(shè)備、以太網(wǎng)電纜）

例如，當(dāng)在供電設(shè)備和受電設(shè)備之間進(jìn)行RJ-45連接時(shí)，引腳接合可能不是同步發(fā)生的。在引腳接觸到RJ-45時(shí)，可能會(huì)發(fā)生引腳1早于或晚于引腳2的情況。這樣就會(huì)在該線對(duì)上產(chǎn)生一個(gè)48V的差分瞬態(tài)過(guò)程，進(jìn)而破壞或損壞PoE電路的PHY。當(dāng)用戶在相同的電源端口把連接從一個(gè)已供電設(shè)備切換到一個(gè)未供電設(shè)備時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。當(dāng)電源設(shè)備檢測(cè)到已連上一個(gè)未供電設(shè)備時(shí)，供電設(shè)備在終止對(duì)前者供電時(shí)會(huì)存在延遲。在這種情況，功率可存在足夠長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，引腳的非同時(shí)連接形成一個(gè)48V的差分電壓。這種情形導(dǎo)致的差分模式瞬態(tài)可能會(huì)破壞或損害PHY。

瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管

顯然，由于PoE結(jié)構(gòu)暴露在惡劣的環(huán)境威脅中，所以需要使用片外電路來(lái)進(jìn)行保護(hù)。低壓TVS二極管是成熟的以太網(wǎng)收發(fā)器保護(hù)技術(shù)。這種二極管響應(yīng)速度快(亞納秒級(jí))、電容低且鉗位電壓低，非常適于用來(lái)抵御各種瞬態(tài)電涌。

為了對(duì)PoE電路提供差分保護(hù)，有效的TVS二極管保護(hù)方案必須能夠鉗住瞬態(tài)/電涌，且同時(shí)在接口上呈現(xiàn)為最小的負(fù)載電容。TVS應(yīng)提供低鉗位電壓，而且，作為一個(gè)一般性規(guī)則，線到線電容應(yīng)不超過(guò)幾個(gè)皮法。此外，作為PoE電路的一個(gè)獨(dú)特要求，TVS配置必須考慮在線對(duì)之間存在+/-48V的直流電壓。由于在不同線對(duì)之間存在高直流電壓，不能使用任何在線對(duì)之間形成電氣路徑的集成二極管陣列或橋式TVS器件。差分對(duì)之間必須是電氣隔離的。

圖2：針對(duì)PoE電路的瞬態(tài)電壓保護(hù)。（RJ-45連接器、Rclamp0524S、以太網(wǎng)PHY）

圖2給出了一個(gè)使用Semtech公司RClamp0524S實(shí)現(xiàn)的用于抵御差分模式瞬態(tài)的PoE TVS方案實(shí)例。在實(shí)現(xiàn)PoE保護(hù)電路時(shí)，把保護(hù)電路放在供電側(cè)有一些好處：不僅可以保護(hù)下游的功率開(kāi)關(guān)電路，而且可避免瞬態(tài)電流流過(guò)變壓器。由于任何附加的電感都會(huì)提高TVS二極管的ESD鉗位電壓，因此應(yīng)該盡可能的讓TVS靠近連接器。本例中的TVS陣列具有線間電容較小的特性，由于這些二極管對(duì)在封裝中是分開(kāi)的所以還能提供必要的線隔離，以便隔離差分對(duì)之間的48V電壓。另外，圖3所示的直通型(flow-through)布局降低了瞬態(tài)路徑中的總電感并可給PCB布局帶來(lái)便利。

圖3：Rclamp0524S直通布線。