PoE接口如何抵御差分模式瞬態電壓

隨著以太網在聯網領域激增，在10/100和Gb端口上采用PoE(以太網供電)的系統也在迅速增加。通過以太網電纜給遠程設備供電的好處和成本優勢使許多應用(包括IP電話、數字視頻監控、WLAN接入點及其他低壓網絡連接的系統)得以實現。

典型的PoE系統利用供電設備(PSE)通過以太網雙絞線把直流電壓發送到遠程受電設備(PD)。由于PoE系統經常受到瞬態電壓的威脅，在設計時需要考慮的重要問題之一，就是保護以太網物理層收發器(PHY)能夠抵御過壓沖擊。

在PoE應用增長的同時，以太網PHY的尺寸也在迅速縮小。目前，以太網PHY大多使用90nm技術制造，但芯片制造商即將推出采用65nm工藝技術制造的尺寸更小的產品。事實表明，采用這些先進的制造工藝時，在CMOS上實現有效的芯片級ESD保護是不切實際的，因為芯片面積太小無法提供系統級魯棒性，另外要實現有效的芯片級保護成本也過高。為滿足全球標準的要求、并保證系統的可靠性，時下基于以太網的系統設計越來越強烈地要求使用更好的片外電路保護。

瞬態電壓威脅

以太網接口易于受到各種瞬態過壓事件的攻擊，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故障。

ESD是一種速度非常快的瞬態脈沖。根據IEC61000-4-2標準給出的模型，ESD波形的上升時間為700皮秒到1納秒，從脈沖峰值電流衰減到50%的脈沖持續時間為60納秒。大的電流尖峰和瞬態過程中包含的能量可能會損壞硅芯片的亞微米輸入結構。

在摩擦帶電效應或感應等常規環境下，以太網電纜帶電后會發生電纜放電(CDE)，或稱為電纜靜電放電(CESD)現象。把帶電的電纜插入系統接口是有危險的。事實表明，電纜通過以太網磁通道向以太網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間很短(不到1納秒)，但與ESD不同，其繼發波形存在極性快速變化且持續時間較長的振蕩。對于以太網設計者來說，電纜放電波形中的能量會帶來比人體靜電放電更為嚴重的問題。

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

PoE應用中的差分模式瞬態響應

正如前面提到的，PoE接口的保護可能會特別具有挑戰性，因為除了由ESD和電涌引起的瞬態過程之外，在連接直流電源時，有幾種經常發生的情形會在以太網傳輸線上引發差分電涌。這樣自然會對PHY造成災難性的故障或難題，劇烈的沖擊可能會損壞IC。

大多數PoE電路設計者會采取某種形式的共模保護措施來保護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，許多設計者會錯誤地忽視差分模式保護。以太網差分對利用變壓器、或者共模遏流把PHY與外部環境隔離開來。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。

如圖1所示，PoE系統在差分對上存在+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過程。

圖1：典型的PoE電路。（供電設備(PSE)、受電設備、以太網電纜）

例如，當在供電設備和受電設備之間進行RJ-45連接時，引腳接合可能不是同步發生的。在引腳接觸到RJ-45時，可能會發生引腳1早于或晚于引腳2的情況。這樣就會在該線對上產生一個48V的差分瞬態過程，進而破壞或損壞PoE電路的PHY。當用戶在相同的電源端口把連接從一個已供電設備切換到一個未供電設備時也會出現類似的情況。當電源設備檢測到已連上一個未供電設備時，供電設備在終止對前者供電時會存在延遲。在這種情況，功率可存在足夠長的持續時間，引腳的非同時連接形成一個48V的差分電壓。這種情形導致的差分模式瞬態可能會破壞或損害PHY。

瞬態電壓抑制(TVS)二極管

顯然，由于PoE結構暴露在惡劣的環境威脅中，所以需要使用片外電路來進行保護。低壓TVS二極管是成熟的以太網收發器保護技術。這種二極管響應速度快(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電涌。

為了對PoE電路提供差分保護，有效的TVS二極管保護方案必須能夠鉗住瞬態/電涌，且同時在接口上呈現為最小的負載電容。TVS應提供低鉗位電壓，而且，作為一個一般性規則，線到線電容應不超過幾個皮法。此外，作為PoE電路的一個獨特要求，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電路的瞬態電壓保護。（RJ-45連接器、Rclamp0524S、以太網PHY）

圖2給出了一個使用Semtech公司RClamp0524S實現的用于抵御差分模式瞬態的PoE TVS方案實例。在實現PoE保護電路時，把保護電路放在供電側有一些好處：不僅可以保護下游的功率開關電路，而且可避免瞬態電流流過變壓器。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)布局降低了瞬態路徑中的總電感并可給PCB布局帶來便利。

圖3：Rclamp0524S直通布線。