以太网供电浪涌保护电路设计方案详解

　　设计一款电子电路或定义一个完整系统时，确定这些应力源，并正确理解它们的机制以正确定义操作系统的环境是非常重要的。这样做可以使您定义简单的设计规则，并利用低成本的解决方案对敏感的电子系统进行充分有效的保护。以太网供电 （PoE） 设备是一种必须对敏感电源电路进行保护的系统。尽管 PoE 规范提供了过电流保护功能，但对那些会损害其他类型电源设备的电气瞬态来说，这些系统也很易遭受同样的损害。

　　在 PoE 设备中，供电设备 （PSE） 将电源通过以太网线缆供应到用电设备 （PD） 中。如图 所示，通过以太网线缆数据通道所用的两条双绞线对的共模电压差进行供电。通过使用额外的备用双绞线对，可以提供更多的电力。PoE 的应用范围很广，其中包括办公和工业网络等环境。以太网线缆或设备通常为室内使用，但是也可以用于室外应用。

　　

　　在本单端口 PoE 应用例子中，通过以太网线缆的信号对实现了电源供电；而通过备用双绞线对实现了更多电力供应。

　　PoE 应用中的瞬态

　　当前已开发了许多标准，对不同应用中的瞬态过压环境进行模拟或仿真。例如，根据 IEC 瞬态抗扰度标准，瞬态可以分为以下三大类：　IEC 61000-4-2：静电放电 （ESD）； IEC 61000-4-4：电气快速瞬态/脉冲群 （EFT）； IEC 61000-4-5：浪涌。这些 IEC 标准也定义了应用于每一瞬态类别的抗扰度测试方法，并且它们还向瞬态抑制组件的厂家提供了一些符合特定组件特征的标准化波形和过电压电平。

　　静电放电 （ESD）

　　ESD 是由两种绝缘材料接触、分开而引起的电荷累加造成的；当带电体接近另一个电位较低的物体时，就会引起相应的能量释放。例如，当人走过地毯时，就可以产生超过 1.5kV 的电荷。　ESD 是一种共模电气事件，并且是通过电气路径，从一个元件到另一个元件的放电现象，最后以外壳接地结束。清楚地确定电流路径，并确保其对敏感电路不会造成损害是一项很重要的设计指南。一个更好的选项就是为放电电流提供一个替代放电路径，以绕过该敏感电路。

　　表 1、IEC 61000-4-2 波形参数。

　　

　　另一个威胁因素是线缆放电事件。当以太网线缆充电，并放电到与该线缆相连的一个电路中时，就会发生线缆放电事件。线缆也能通过摩擦带电（例如，将线缆在地毯上拖曳）或通过感应（例如，来自持有线缆的带电人体）的方式进行充电。目前还未确定用特定的测试方法来定义线缆放电的标准。绝大多数的厂商都使用内部线缆放电事件 （CDE） 对设备 （setup） 进行测试以对他们的设计进行评估。极少数人认为只要通过 IEC 等级 4 测试，就已足够对此类放电进行保护了。

　　不过，那种认为只要设备通过 IEC 61000-4-2 等级 4 放电测试，就可以通过 CDE 测试的看法，之所以不是不变的真理，是因为两个测试中所用的带电电容有很大区别，即 IEC ESD 为 150 pF，而 CDE 的电容则要大的多，这取决于所用线缆长度以及线缆相对地面的高度。在集中式电容 （lumped capacitance） 之外，也有来自传输线路的分布式电容。CDE 中的放电通常会比 IEC 等级 4 中的放电释放更多的能量到所测设备中。

　　电气快速瞬态

　　一次电气快速瞬态 （EFT） 是开关和继电器、马达以及其他感应负载电弧接触的结果，这在工业环境中是很常见的。通常，该类型的瞬态是共模型的，并通过电容耦合引入通信线缆中。 IEC61000-4-4 将该瞬态定义为一系列非常短的高压尖峰，以 5kHz 到 100kHz 的频率出现。表 2 归纳了严重性测试等级。短路电流值通过用 50-Ω 电源阻抗对开路电压分压进行估算。

　　表 2、IEC 61000-4-4 严重性测试等级。

　　

　　根据 IEC61000-4-4，通信线缆上的容性耦合钳是对通信端口的测试电压进行耦合的首选方法。其中包括一根以太网线缆，这意味着耦合不会产生到端口的任何电偶连接。另一个可行的耦合方法是直接通过 100-pF 的离散电容进行耦合。我们应注意到，由于它的重复特性，EFT 事件还可以造成通信系统的不稳定行为。