Anwendungslösung]Ethernet PoE: PD-side Circuit Design und Blitzschutzlösung
Voohu Electronic Technology bietet PoE-Systemlösungen, die die Bereitstellung von Komponenten auf Systemebene, kundenspezifische Entwicklungsunterstützung und umfassende technische Fähigkeiten umfassen. Ergänzt werden diese Lösungen durch Evaluierungsdemos und umfassende Testberichte, wodurch der gesamte Prozess vom Design bis zur Massenproduktion beschleunigt wird.
1. Ethernet-Kommunikationsinfrastruktur
1.1 Aufbau der Ethernet-Kommunikationsschaltung
Eine Standard-Ethernet-Kommunikationsschaltung besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die einen vollständigen Signalpfad vom RJ45-Anschluss zum PHY-Chip bilden:
RJ45-Anschluss:Der physische Netzwerkverbindungsport, der einen 8-poligen Anschluss für den Anschluss eines Twisted-Pair-Ethernet-Kabels bietet.
Lan-Transformator (Ethernet-Transformator): Bietet elektrische Isolierung zwischen dem RJ45 und dem PHY-Chip, verbessert die Gleichtaktunterdrückung und gewährleistet eine qualitativ hochwertige Signalübertragung innerhalb des Frequenzbands.
TVS-Array:Bietet Schutz vor Überspannungsbedrohungen wie Blitzstößen, elektrostatischer Entladung (ESD), elektrischen schnellen Transienten (EFT) und Kabelentladungsereignissen (CDE).
Ethernet-PHY-Chip: Implementiert Funktionen der physikalischen Schicht und wandelt digitale Signale in analoge Signale für die Netzwerkübertragung um.
1.2 Kommunikationspfad und Schutzmechanismus
Der Standardsignalpfad für die Ethernet-Kommunikation ist:RJ45-Anschluss → Netzwerktransformator → TVS-Array → Ethernet-PHY-Chip.
Auf diesem Weg spielt das TVS-Array eine entscheidende Schutzfunktion. Seine niedrige Kapazität (typischerweise 0,4 pF bis 5 pF) verhindert Signalverzerrungen. Das TVS-Array von Wohu behält eine stabile parasitäre Kapazität von weniger als 1,5 pF bei, minimiert Schaltkreisstörungen und bietet eine hervorragende Immunität gegen ESD, EFT und Blitzeinschläge.
2. Schaltungsstruktur für PoE-betriebene Geräte (PD).
2.1 PoE-Systemübersicht
Die Power over Ethernet (PoE)-Technologie ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Daten und Strom über ein einziges Ethernet-Kabel und vereinfacht so die Stromversorgungsanforderungen für Endgeräte erheblich. Das PoE-System entspricht dem IEEE 802.3-Standard und besteht aus Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Devices (PD).
2.2 Komponenten der PoE-PD-Schaltung
Eine vollständige PoE-PD-Schaltung besteht aus den folgenden Kernkomponenten:
GDTs (Gasentladungsröhren):Bieten einen primären Blitzüberspannungsschutz und befinden sich normalerweise am vorderen Ende des Stromkreises.
PD-Controller:Implementieren Sie das PoE-Protokoll, um den Strombedarf mit dem PSE zu erkennen, zu klassifizieren und auszuhandeln.
PoE-Leistungstransformatoren:Speziell entwickelte Transformatoren, die sowohl Datensignale als auch Gleichstrom koppeln.
AC/DC-Wandler:Wandeln Sie einen instabilen Gleichstromeingang in eine stabile Gleichspannung um.
DC/DC-Wandler:Regeln Sie die Spannung weiter auf den genauen Wert, den die Last benötigt.
3. Kernkomponentenfunktionen
3.1 Schnittstellen- und Schutzkomponenten
RJ45-Anschluss und integrierter Transformator
Bietet eine standardmäßige 8P8C-Netzwerkschnittstelle
Integrierter Netzwerktransformator und Power over Ethernet (PoE)-Unterstützung
Bietet elektrische Isolierung bis 1500 V
LAN-Transformatoren
Erzielen Sie Signalisolierung und Impedanzanpassung und dienen Sie als Kommunikationsbrücke für Ethernet-Ports. Sie sorgen für elektrische Isolierung und erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen Signalstörungen, bieten höhere Übertragungsraten als herkömmliche Induktivitäten und unterdrücken wirksam Gleichtaktrauschen auf Signalleitungen.
TVS-Array-Schutzschaltung
TVS-Arrays sind für Ethernet-Port-Schutzstrategien von entscheidender Bedeutung, da sie bei verschiedenen Überspannungsbedrohungen die niedrigste Klemmspannung bieten. Voohu TVS-Arrays bieten:
ESD-Schutz: ±30kV (Kontaktentladung) / ±30kV (Luftentladung)
EFT-Schutz: 40 A (5/50 ns)
Blitzüberspannungsschutz: 40A (8/20μs)
POWER LINE CMC
Erzielen Sie Signalisolierung und Impedanzanpassung und dienen Sie als Kommunikationsbrücke für Ethernet-Ports. Sie sorgen für elektrische Isolierung und erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen Signalstörungen, bieten höhere Übertragungsraten als herkömmliche Induktivitäten und unterdrücken wirksam Gleichtaktrauschen auf Signalleitungen.
GDTs (Gasentladungsröhren)
Sie dienen als erste Schutzstufe gegen energiereiche Überspannungen und absorbieren den Großteil der Überspannungsenergie. Sie reagieren langsamer als TVS, verfügen aber über eine größere Fähigkeit zur Energieabsorption.
Die POE-Schutzlösung von Voohu nutzt Level-2-Schutz und gewährleistet so einen zuverlässigen Betrieb und Signalintegrität auch bei hohen Temperaturen. Es entspricht IEC61000-4-2, Level 4, 30 kV Kontaktentladung und 30 kV Luftentladung. (Testbedingungen: IEC61000-4-510/700μs, 40Ω, 6kV, ±5 Zyklen.)
POE-Leistungstransformator
Bietet stabile POE-Leistungsfilterung und Spannungsreduzierungsfunktionen, um eine kontinuierliche und stabile Leistungsabgabe zu gewährleisten, filtert hochfrequentes Rauschen und Interferenzen effektiv heraus, erfüllt die IEEE 802.3at/af-Standards und unterstützt einen zuverlässigen Betrieb im gesamten Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C.
PD-Controller
Zu den Hauptfunktionen gehören:
Erkennung: Identifiziert, ob das Gerät ein IEEE 802.3-kompatibles PD ist
Klassifizierung: Zeigt dem PSE die erforderliche Leistungsstufe an
Einschalten: Sichere Verbindung zur Stromversorgung nach Erkennung und Klassifizierung
Überwachung: Überwacht kontinuierlich die Eingangsleistung und setzt Schutzmaßnahmen um
Isolierte DC/DC-Wandler
Zu den Hauptfunktionen gehören:
Spannungsumwandlung:Erzielen Sie eine effiziente Gleichspannungsumwandlung vom Eingang zum Ausgang
Galvanische Trennung:Bietet eine sichere elektrische Isolationsbarriere zwischen der Primär- und Sekundärseite
Geregelter Ausgang:Hält eine präzise und stabile Ausgangsspannung aufrecht, um einen zuverlässigen Betrieb nachgeschalteter Schaltkreise zu gewährleisten
Fehlerschutz:Echtzeitüberwachung des Systemstatus und Implementierung von Überstrom-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz
4. PoE-Stromumwandlungsprozess: Von 45 V auf 3,3 V
Stufe 1: PoE-Eingang und -Gleichrichtung
Das PSE-Gerät stellt über das Ethernet-Leitungspaar eine Gleichspannung von 44-57 V bereit.
Der PD-Controller verwaltet den Einschaltstrom, um übermäßige Überspannungen beim Systemstart zu verhindern.
Eine integrierte ideale Diodenbrücke sorgt für eine ordnungsgemäße Verbindung unabhängig von der Polarität.
Stufe 2: Isolationsumwandlung
Der primär isolierte DC/DC-Wandler wandelt den ungeregelten 45-V-Eingang in eine 12-V-Zwischenspannung um.
Zur effizienten Isolierung wird eine Flyback-Topologie verwendet. Beispielsweise verwendet das Referenzdesign TIDA-010083 ein Flyback-Gerät mit synchroner Gleichrichtung, wodurch Wirkungsgrade von bis zu 92 % erreicht werden.
Zur Einhaltung der Sicherheitsstandards ist eine 1500-V-Basisisolierung gewährleistet.
Stufe 3: Point-of-Load-Konvertierung
Ein hocheffizienter Abwärtswandler (wie der TPS62801) wird verwendet, um die 12 V in 3,3 V umzuwandeln.
Zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz wird die Synchrongleichrichtung eingesetzt.
Um den strengen Anforderungen moderner elektronischer Komponenten gerecht zu werden, ist eine präzise Spannungsregelung (besser als ±2 %) vorgesehen.
5. Überlegungen zum praktischen Schaltungsdesign
5.1 PCB-Layout und -Isolierung
Beim Design von Ethernet-Ports sind die Kriechstrecke und die elektrische Leiterbahnstrecke von entscheidender Bedeutung für Sicherheit und Zuverlässigkeit. Labortests zeigen, dass der Leiterbahnabstand der FR4-Leiterplatte mindestens 25 mil betragen sollte, um transienten Spannungen von 2 kV standzuhalten.
Isolationsstrategie:
Datenkanal: Signalisolierung durch einen Netzwerktransformator.
Leistungskanal: Leistungstrennung durch einen DC/DC-Wandler.
Masseebene: Separate analoge und digitale Masse sowie die Abschirmung.
Wählen Sie eine Konvertierungstopologie mit hohem Wirkungsgrad (z. B. Active-Clamp-Flyback);
Verwenden Sie Low-RDS(on)-MOSFETs, um Schaltverluste zu reduzieren;
Entwerfen Sie geeignete Kupferbereiche und thermische Durchkontaktierungen.
Nutzen Sie eine mehrstufige Leistungsumwandlung, um den Gesamtwirkungsgrad zu optimieren.
Ethernet-Kommunikation und PoE-Stromversorgungsschaltungen sind hochintegrierte Mixed-Signal-Systeme, die hochfrequente Datenkommunikation gekonnt mit effizienter Energieübertragung kombinieren. Der Konvertierungsprozess von einem instabilen 45-V-PoE-Eingang zu einem stabilen 3,3-V-Ausgang umfasst mehrere Stufen eines ausgeklügelten Energiemanagements, von denen jede ihre eigenen, einzigartigen Designherausforderungen und -lösungen mit sich bringt.
Durch geeignete Komponentenauswahl, sorgfältiges PCB-Layout und strenge Schutzstrategien können zuverlässige, effiziente und standardkonforme Ethernet-PoE-Stromversorgungsgeräte konstruiert werden, um den wachsenden Bedarf an gleichzeitiger Daten- und Stromübertragung in modernen vernetzten Geräten zu erfüllen.
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