電氣快速瞬態(tài) - PoE系統(tǒng)對(duì)敏感電源電路實(shí)施電涌瞬態(tài)事故保護(hù)設(shè)計(jì)（電路原理圖）

一次電氣快速瞬態(tài) (EFT) 是開(kāi)關(guān)和繼電器、馬達(dá)以及其他感應(yīng)負(fù)載電弧接觸的結(jié)果，這在工業(yè)環(huán)境中是很常見(jiàn)的。通常，該類型的瞬態(tài)是共模型的，并通過(guò)電容耦合引入通信線纜中。IEC61000-4-4 將該瞬態(tài)定義為一系列非常短的高壓尖峰，以 5kHz 到 100kHz 的頻率出現(xiàn)。表 2 歸納了嚴(yán)重性測(cè)試等級(jí)。短路電流值通過(guò)用 50-Ω 電源阻抗對(duì)開(kāi)路電壓分壓進(jìn)行估算。

表 2、IEC 61000-4-4 嚴(yán)重性測(cè)試等級(jí)。

IEC 61000-4-4 嚴(yán)重性測(cè)試等級(jí)

根據(jù) IEC61000-4-4，通信線纜上的容性耦合鉗是對(duì)通信端口的測(cè)試電壓進(jìn)行耦合的首選方法。其中包括一根以太網(wǎng)線纜，這意味著耦合不會(huì)產(chǎn)生到端口的任何電偶連接。另一個(gè)可行的耦合方法是直接通過(guò) 100-pF 的離散電容進(jìn)行耦合。我們應(yīng)注意到，由于它的重復(fù)特性，EFT 事件還可以造成通信系統(tǒng)的不穩(wěn)定行為。

電涌

就峰值電流和持續(xù)時(shí)間而言，電涌瞬態(tài)是最為嚴(yán)重的；而就上升時(shí)間而言，電涌瞬態(tài)則顯得不那么嚴(yán)重。它們是由雷擊（直接雷擊或間接雷擊造成的感應(yīng)電壓和電流）或電源系統(tǒng)的切換（包括負(fù)載變化和短路）造成的。該瞬態(tài)的嚴(yán)重程度根據(jù)線纜安裝在樓宇內(nèi)或樓宇外而有所不同。IEC 61000-4-5 將該瞬態(tài)定義為兩個(gè)浪涌波形：1.2 ×50-μs 開(kāi)路電壓波形和 8 ×20-μs 的短路電流波形。

IEC61000-4-5 Class 3 到 5 適合室外較高威脅等級(jí)情況下的應(yīng)用，以及一些特殊的室內(nèi)應(yīng)用。在絕大多數(shù)的 PoE 應(yīng)用中，僅考慮了室內(nèi)線纜安裝。此外，IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)還要求網(wǎng)絡(luò)能通過(guò) 1500-V 的對(duì)地絕緣測(cè)試。在本文中，僅考慮了非平衡式/平衡式數(shù)據(jù)線路的Class 2（半保護(hù)性環(huán)境）。這與 1 kV/24 A 的線路接地或500V/12 A的線路對(duì)線路級(jí)別相對(duì)應(yīng)。其他可能的標(biāo)準(zhǔn)包括ITU-T 建議：K.20、K.21、K.44，K.45[4] ，以及在一些情況下的 GR-1089CORE[5]（樓宇間的雷電浪涌設(shè)計(jì)規(guī)范）。

瞬態(tài)保護(hù)電路指南

保護(hù)電路不應(yīng)干擾受保護(hù)電路的正常行為，此外，其還必須防止任何電壓瞬態(tài)造成整個(gè)系統(tǒng)的重復(fù)性或非重復(fù)性的不穩(wěn)定行為。為滿足這些要求，我們?yōu)殡娮酉到y(tǒng)的電壓瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定了許多設(shè)計(jì)指南。

瞬態(tài)電壓源可以分為差分型、共模型，或差分和共模合一型。瞬態(tài)電壓保護(hù)技術(shù)可分為屏蔽和接地、過(guò)濾、電氣隔離以及使用諸如二極管的非線性器件等類型。阻斷和轉(zhuǎn)移 (diverting) 技術(shù)的結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)了有效的電路保護(hù)。

使用共模線圈可能是非常有必要的，但是所選的電壓抑制器的設(shè)計(jì)還必須符合應(yīng)用的速度和穩(wěn)健性要求。例如，必須對(duì)有低ESR的高電壓（高于或等于 2kV）使用能吸收直接瞬態(tài)沖擊的分路（線路對(duì)大地接地）電容器。

有九種基本的 PCB 板布局規(guī)則可以提高瞬態(tài)保護(hù)能力。第一個(gè)規(guī)則是定義一條低阻抗路徑，以將任何瞬態(tài)電流或電壓從敏感組件轉(zhuǎn)移開(kāi)，否則 ESD 電流可能會(huì)在其搜尋系統(tǒng)的大地接地時(shí)造成嚴(yán)重的損壞。第二個(gè)規(guī)則是在 PCB 板上要有可靠的、低阻抗大地接地連接。第三個(gè)規(guī)則是保持瞬態(tài)電流密度和電流路徑阻抗盡可能的低，在有電流流過(guò)的地方設(shè)計(jì)多點(diǎn)接地，而在沒(méi)有電流流過(guò)的地方采用單點(diǎn)接地。第四個(gè)規(guī)則是使快速上升電流的循環(huán)回路盡可能的低。對(duì)于快速瞬態(tài)（在有必要的任何時(shí)候，特別是在鉗位二極管連接到電源軌時(shí)）而言，上述規(guī)則是通過(guò)在負(fù)載點(diǎn)電源和接地之間使用陶瓷電容器實(shí)現(xiàn)的。

在電路布局過(guò)程中要采用的第五個(gè)規(guī)則是實(shí)現(xiàn)高電壓或高電流瞬態(tài)區(qū)域與敏感電路的物理層面隔離，即使這些區(qū)域必須靠近 I/O 連接器。

需要特別指出的是，應(yīng)將大電流抑制器放置到 I/O 區(qū)域、開(kāi)關(guān)、LED 以及顯示器處。第六個(gè)規(guī)則是在條件允許的情況下，將所有的連接器都放置于電路板的一邊，而敏感電路則放置于 PCB 板的中央。第七個(gè)規(guī)則是，每一個(gè)受保護(hù)的信號(hào)都應(yīng)以與其單一回波信號(hào)平行的方式從抑制器電路路由到敏感電路，以防止任何未引起注意的變壓器影響。第八個(gè)規(guī)則是確保抑制器使用表面貼裝封裝，并使用四端子連接以減輕寄生電感的影響。與之相類似，第九個(gè)即最后一個(gè)規(guī)則是確保 PCB 板的布局不會(huì)引入任何會(huì)對(duì)瞬態(tài)阻斷串聯(lián)組件造成旁路的寄生電容。不過(guò)，串聯(lián)阻止組件中存在寄生電感并不會(huì)造成多大影響。