PoE接口如何抵御差分模式瞬態電壓

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?？斓男ぬ鼗O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）