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。通過以太網(wǎng)電纜給遠(yuǎn)程設(shè)備供電的好處和成本優(yōu)勢使許多應(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)能夠抵御過壓沖擊。

在PoE應(yīng)用增長的同時(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ESD保護(hù)是不切實(shí)際的，因?yàn)樾酒娣e太小無法提供系統(tǒng)級魯棒性，另外要實(shí)現(xiàn)有效的芯片級保護(hù)成本也過高。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)過壓事件的攻擊，其中最常見的是靜電放電(ESD)、電纜放電和閃電電涌。另外，在PoE系統(tǒng)中，通過雙絞線傳送直流功率會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)過程中包含的能量可能會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，電纜通過以太網(wǎng)磁通道向以太網(wǎng)端口放電會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)間較長的振蕩。對于以太網(wǎng)設(shè)計(jì)者來說，電纜放電波形中的能量會帶來比人體靜電放電更為嚴(yán)重的問題。

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

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)可能會特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槌擞蒃SD和電涌引起的瞬態(tài)過程之外，在連接直流電源時(shí)，有幾種經(jīng)常發(fā)生的情形會在以太網(wǎng)傳輸線上引發(fā)差分電涌。這樣自然會對PHY造成災(zāi)難性的故障或難題，劇烈的沖擊可能會損壞IC。

大多數(shù)PoE電路設(shè)計(jì)者會采取某種形式的共模保護(hù)措施來保護(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)者會錯誤地忽視差分模式保護(hù)。以太網(wǎng)差分對利用變壓器、或者共模遏流把PHY與外部環(huán)境隔離開來。變壓器可對外部電壓提供高水平共模隔離，但不能對金屬性的、或差分的(線到線)電涌提供保護(hù)。

如圖1所示，PoE系統(tǒng)在差分對上存在+48V或-48V的電壓。在信號線對中，這個直流電壓是公有的，因而差分直流電壓為0伏。然而，在一些情況下，接電可能會引入瞬態(tài)過程。

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)，可能會發(fā)生引腳1早于或晚于引腳2的情況。這樣就會在該線對上產(chǎn)生一個48V的差分瞬態(tài)過程，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已供電設(shè)備切換到一個未供電設(shè)備時(shí)也會出現(xiàn)類似的情況。當(dāng)電源設(shè)備檢測到已連上一個未供電設(shè)備時(shí)，供電設(shè)備在終止對前者供電時(shí)會存在延遲。在這種情況，功率可存在足夠長的持續(xù)時(shí)間，引腳的非同時(shí)連接形成一個48V的差分電壓。這種情形導(dǎo)致的差分模式瞬態(tài)可能會破壞或損害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)、電容低且鉗位電壓低，非常適于用來抵御各種瞬態(tài)電涌。

為了對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，作為一個一般性規(guī)則，線到線電容應(yīng)不超過幾個皮法。此外，作為PoE電路的一個獨(dú)特要求，TVS配置必須考慮在線對之間存在+/-48V的直流電壓。由于在不同線對之間存在高直流電壓，不能使用任何在線對之間形成電氣路徑的集成二極管陣列或橋式TVS器件。差分對之間必須是電氣隔離的。

圖2：針對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)下游的功率開關(guān)電路，而且可避免瞬態(tài)電流流過變壓器。由于任何附加的電感都會提高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，由于這些二極管對在封裝中是分開的所以還能提供必要的線隔離，以便隔離差分對之間的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布局帶來便利。

圖3：Rclamp0524S直通布線。