So verhindern Sie die Bedrohung durch transiente Spannungen an der PoE-Schnittstelle mithilfe des Differenzialmodus

- Aug 14, 2019-

Mit dem rasanten Wachstum von Ethernet im Bereich der Vernetzung nimmt auch die Anzahl der Systeme, die PoE (Ethernet Power Supply) an 10/100 und GB-Ports verwenden, rapide zu. Die Vorteile und Kostenvorteile der Stromversorgung von Remote-Geräten über Ethernet-Kabel ermöglichen die Implementierung vieler Anwendungen (einschließlich IP-Telefonie, digitale Videoüberwachung, WLAN-Zugangspunkte und andere Niederspannungs-Netzwerkverbindungssysteme).

  

Typische PoE-Systeme verwenden Power Supply Equipment (PSE), um Gleichspannung über Ethernet Twisted Pair an Remote Receiving Equipment (PD) zu senden. Da das PoE-System häufig durch transiente Spannungen bedroht ist, ist eines der wichtigsten Probleme beim Entwurf, den Physical Layer Transceiver (PHY) von Ethernet vor Überspannungen zu schützen.

  Mit dem Anwachsen von PoE-Anwendungen nimmt die Größe von Ethernet PHY rapide ab. Gegenwärtig wird Ethernet PHY hauptsächlich mit der 90-nm-Technologie hergestellt, aber die Chiphersteller werden bald kleinere Produkte einführen, die mit der 65-nm-Technologie hergestellt werden. Die Fakten zeigen, dass es mit diesen fortschrittlichen Fertigungstechnologien unpraktisch ist, einen effektiven ESD-Schutz auf Chipebene in CMOS zu implementieren, da die Chipfläche zu klein ist, um Robustheit auf Systemebene zu gewährleisten, und die Kosten für die Erzielung eines effektiven Schutzes auf Chipebene zu hoch sind. Um den Anforderungen globaler Standards gerecht zu werden und die Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, fordert das derzeitige auf Ethernet basierende Systemdesign zunehmend einen besseren Schutz von Off-Chip-Schaltkreisen.

Bedrohung durch transiente Spannung

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Die Ethernet-Schnittstelle ist anfällig für verschiedene transiente Überspannungsereignisse, von denen die häufigsten elektrostatische Entladungen (ESD), Kabelentladungen und Blitzschläge sind. Darüber hinaus führt die Übertragung von Gleichstrom über Twisted Pair im PoE-System zu einigen besonderen vorübergehenden Fehlern, die durch eine Gegentaktverbindung verursacht werden.

  ESD ist ein sehr schneller transienter Impuls. Gemäß dem Modell der Norm IEC61000-4-2 beträgt die Anstiegszeit der ESD-Wellenform 700 Pikosekunden bis 1 Nanosekunde, und die Impulsdauer vom Spitzenstrom bis 50% beträgt 60 Nanosekunden. Große Stromspitzen und transiente Energie können die Submikron-Eingangsstruktur von Siliziumchips beschädigen.

   Kabelentladung (CDE) oder elektrostatische Entladung des Kabels (CESD) tritt auf, wenn das Ethernet-Kabel in einer herkömmlichen Umgebung geladen wird, z. B. durch Reibung oder Induktion. Das Einstecken spannungsführender Kabel in die Systemschnittstelle ist gefährlich. Die Tatsache zeigt, dass die Kabelentladungen zum Ethernet-Port über den Ethernet-Magnetkanal verschiedene Arten von Überspannungen bilden. Ähnlich wie bei der ESD ist die Anstiegszeit des Kabelentladungsstoßes sehr kurz (weniger als 1 Nanosekunde), aber im Gegensatz zur ESD schwingt die sekundäre Wellenform schnell und hält lange an. Für Ethernet-Entwickler kann die Energie in Kabelentladungswellenformen schwerwiegendere Probleme verursachen als die elektrostatische Entladung von Menschen.

  Blitzschlag ist eine häufige Bedrohung bei der Netzwerkverbindung. Blitzschläge können Hochspannungsimpulse erzeugen, die über die Ethernet-Leitung an Ethernet PHY übertragen werden können. Im Gegensatz zu ESD-Ereignissen in Nanosekunden dauern Blitzstöße Millisekunden. Die EMV-Industrie beschreibt solche Impulse in Bezug auf Anstiegszeit (Millisekunden), Spitzenimpulsstrom und Abfallzeit. Die Energie eines Blitzschocks ist um einige Größenordnungen größer als die eines ESD-Schocks.

   Differential Mode Transient Response in PoE-Anwendungen

 

Wie bereits erwähnt, kann der Schutz der PoE-Schnittstelle eine besondere Herausforderung darstellen, da es neben dem durch ESD und Spannungsspitzen verursachten Übergangsprozess einige häufige Situationen gibt, die beim Anschließen an Gleichstrom Spannungsspitzen auf der Ethernet-Übertragungsleitung verursachen können. Dies führt natürlich zu katastrophalen Ausfällen oder Problemen für die PHY, und schwere Erschütterungen können die IC beschädigen.

   Die meisten PoE-Schaltungsentwickler verwenden eine Form des Gleichtaktschutzes, um die PoE-Schaltung zu schützen. An Masse angeschlossene Gleichtaktkondensatoren oder an beide Enden der Stromversorgung angeschlossene TVS-Überspannungsschutzgeräte, die sehr schnelle Schottky-Dioden verwenden, um den Strom an Masse zu leiten, werden häufig verwendet. Viele Designer ignorieren jedoch fälschlicherweise den Differentialmodus-Schutz. Das differenzielle Ethernet-Paar isoliert PHY mithilfe von Transformatoren oder Gleichtakt-Stromunterdrückung von der externen Umgebung. Transformatoren können eine Gleichtaktisolation auf hohem Niveau für externe Spannungen bereitstellen, jedoch keinen Schutz für metallische oder differentielle Überspannungen (von Leitung zu Leitung) bieten.

 

Das PoE-System hat eine Spannung von +48 V oder -48 V am Differentialpaar. Bei der Signalleitungsausrichtung ist diese Gleichspannung öffentlich, sodass die Differenzgleichspannung 0 Volt beträgt. In einigen Fällen kann die Verbindung jedoch vorübergehende Prozesse einleiten.

   Beispielsweise kann es vorkommen, dass das Einstecken der Stifte nicht synchron erfolgt, wenn RJ-45-Verbindungen zwischen dem Netzteil und dem Stromempfangsgerät hergestellt werden. Wenn der Stift RJ-45 kontaktiert, kann Stift 1 früher oder später als Stift 2 auftreten. Dies führt zu einem differentiellen Übergangsprozess von 48 V auf dem Leitungspaar, der die PHY der PoE-Schaltung beschädigt oder beschädigt. Ähnliche Situationen treten auf, wenn ein Benutzer eine Verbindung von einem bereits mit Strom versorgten Gerät zu einem nicht mit Strom versorgten Gerät am gleichen Stromanschluss wechselt. Wenn das Netzteil erkennt, dass ein nicht mit Strom versorgtes Gerät angeschlossen wurde, tritt eine Verzögerung auf, wenn das Netzteil die Stromversorgung für das erstere beendet. In diesem Fall kann die Spannung lang genug sein, um durch nicht gleichzeitiges Anschließen von Pins eine Differenzspannung von 48 V zu erzeugen. Der durch diese Situation verursachte Ausgleichsmodus-Übergang kann die PHY beschädigen oder beschädigen.

   TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression)

   Da die PoE-Struktur rauen Umweltbedrohungen ausgesetzt ist, muss sie offensichtlich durch chipexterne Schaltungen geschützt werden. Niederspannungs-TVS-Diode ist eine ausgereifte Schutztechnologie für Ethernet-Transceiver. Die Diode hat ein schnelles Ansprechen (Sub-Nanosekunden-Pegel), eine niedrige Kapazität und eine niedrige Klemmspannung und ist sehr gut geeignet, um verschiedenen transienten Überspannungen zu widerstehen.

  

Um einen Differentialschutz für PoE-Schaltkreise bereitzustellen, muss ein wirksames Schutzschema für TVS-Dioden in der Lage sein, die Transienten / Überspannungen zu begrenzen und die kleinste Lastkapazität an der Schnittstelle bereitzustellen. TVS sollte eine niedrige Klemmspannung liefern und die Kapazität von Leitung zu Leitung sollte in der Regel mehrere Skin-Methoden nicht überschreiten. Darüber hinaus muss bei der TVS-Konfiguration als eindeutige Anforderung der PoE-Schaltung das Vorhandensein von +/- 48 V Gleichspannung zwischen Online-Paaren berücksichtigt werden. Aufgrund der hohen Gleichspannung zwischen verschiedenen Adernpaaren können integrierte Diodenarrays oder Brücken-TVS-Geräte, die elektrische Pfade zwischen Adernpaaren bilden, nicht verwendet werden. Differenzpaare müssen galvanisch getrennt sein.

  

Ein Beispiel eines POE-TVS-Schemas, das von Semtech RClamp 0524S implementiert wurde, um Differentialmodus-Transienten zu widerstehen, wird angegeben. Bei der Implementierung der PoE-Schutzschaltung ergeben sich einige Vorteile, wenn die Schutzschaltung auf die Stromversorgungsseite geschaltet wird: Sie kann nicht nur die nachgeschaltete Leistungsschalterschaltung schützen, sondern auch den transienten Strom vermeiden, der durch den Transformator fließt. Da jede zusätzliche Induktivität die ESD-Klemmspannung der TVS-Diode erhöht, sollte sich TVS so nahe wie möglich am Stecker befinden. Die TVS-Arrays in diesem Beispiel haben eine geringe Kapazität zwischen den Leitungen, und da diese Diodenpaare in der Baugruppe getrennt sind, stellen sie auch die notwendige Leitungsisolation zur Verfügung, um die 48-V-Spannung zwischen den Differenzpaaren zu isolieren. Darüber hinaus reduziert das in Abbildung 3 gezeigte Durchflusslayout die Gesamtinduktivität im Übergangspfad und erleichtert das PCB-Layout.


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