Solution d'application]Ethernet PoE : PD-Solution de conception de circuits latéraux et de protection contre la foudre
Voohu Electronic Technology fournit des solutions de système PoE, englobant la fourniture de composants au niveau du système, un support de développement personnalisé et des capacités techniques approfondies. Ces solutions sont complétées par des démonstrations d'évaluation et des rapports de tests complets, accélérant l'ensemble du processus, de la conception à la production en série.
1. Infrastructure de communication Ethernet
1.1 Composition du circuit de communication Ethernet
Un circuit de communication Ethernet standard se compose de plusieurs composants clés, formant un chemin de signal complet depuis le connecteur RJ45 jusqu'à la puce PHY :
Connecteur RJ45 :Le port de connexion réseau physique, fournissant un connecteur à 8 broches pour recevoir un câble Ethernet à paire torsadée.
Transformateur LAN (transformateur Ethernet): Fournit une isolation électrique entre le RJ45 et la puce PHY, améliorant le rejet du mode commun et garantissant une transmission du signal de haute qualité dans la bande de fréquence.
Réseau TVS :Fournit une protection contre les menaces de surtension telles que les surtensions de foudre, les décharges électrostatiques (ESD), les transitoires électriques rapides (EFT) et les événements de décharge de câble (CDE).
Puce Ethernet PHY: Implémente des fonctions de couche physique, convertissant les signaux numériques en signaux analogiques pour la transmission réseau.
1.2 Voie de communication et mécanisme de protection
Le chemin de signal standard pour la communication Ethernet est :Connecteur RJ45 → transformateur réseau → matrice TVS → puce Ethernet PHY.
Dans cette voie, le réseau TVS joue un rôle de protection crucial. Sa faible capacité (généralement de 0,4pF à 5pF) empêche la distorsion du signal. Le réseau TVS de Wohu maintient une capacité parasite stable inférieure à 1,5 pF, minimisant les interférences des circuits et offrant une excellente immunité aux ESD, EFT et aux coups de foudre.
2. Structure du circuit des appareils alimentés par PoE (PD)
2.1 Présentation du système PoE
La technologie Power over Ethernet (PoE) permet la transmission simultanée de données et d'alimentation via un seul câble Ethernet, simplifiant considérablement les exigences d'alimentation électrique des appareils finaux. Le système PoE est conforme à la norme IEEE 802.3 et se compose d'équipements d'alimentation électrique (PSE) et de dispositifs alimentés (PD).
2.2 Composants du circuit PoE PD
Un circuit PoE PD complet se compose des composants de base suivants :
GDT (tubes à décharge) :Fournit une protection primaire contre les surtensions et est généralement situé à l’extrémité avant du circuit.
Contrôleurs PD :Implémentez le protocole PoE, en détectant, en classifiant et en négociant les besoins en énergie avec le PSE.
Transformateurs de puissance PoE :Transformateurs spécialement conçus pour coupler à la fois les signaux de données et l'alimentation CC.
Convertisseurs AC/DC :Convertissez l'entrée CC instable en une tension CC stable.
Convertisseurs DC/DC :Réglez davantage la tension au niveau précis requis par la charge.
3. Fonctions des composants de base
3.1 Composants d'interface et de protection
Connecteur RJ45 et transformateur intégré
Fournit une interface réseau standard 8P8C
Transformateur réseau intégré et prise en charge Power over Ethernet (PoE)
Fournit une isolation électrique jusqu'à 1 500 V
Transformateurs réseau
Réalisez l'isolation du signal et l'adaptation d'impédance, servant de pont de communication pour les ports Ethernet. Ils assurent une isolation électrique et améliorent la résistance aux interférences du signal, offrant des taux de transmission plus élevés que les inductances conventionnelles et supprimant efficacement le bruit de mode commun sur les lignes de signaux.
Circuit de protection de la matrice TVS
Les baies TVS sont cruciales dans les stratégies de protection des ports Ethernet, fournissant la tension de serrage la plus basse face à diverses menaces de surtension. Les baies Voohu TVS offrent :
Protection ESD : ±30kV (décharge par contact) / ±30kV (décharge dans l'air)
Protection EFT : 40A (5/50ns)
Protection contre les surtensions : 40A (8/20μs)
LIGNE ÉLECTRIQUE CMC
Réalisez l'isolation du signal et l'adaptation d'impédance, servant de pont de communication pour les ports Ethernet. Ils assurent une isolation électrique et améliorent la résistance aux interférences du signal, offrant des taux de transmission plus élevés que les inductances conventionnelles et supprimant efficacement le bruit de mode commun sur les lignes de signaux.
GDT (tubes à décharge)
Servant de premier niveau de protection contre les surtensions à haute énergie, ils absorbent la majeure partie de l’énergie des surtensions. Ils réagissent plus lentement que les TVS mais ont de plus grandes capacités d'absorption d'énergie.
La solution de protection POE de Voohu utilise une protection de niveau 2, garantissant un fonctionnement fiable et l'intégrité du signal à des températures élevées. Il est conforme à la norme IEC61000-4-2, niveau 4, décharge par contact de 30 kV et décharge dans l'air de 30 kV. (Conditions de test : IEC61000-4-510/700μs, 40Ω, 6kV, ±5 cycles.)
Transformateur de puissance POE
Fournit des fonctions stables de filtrage de puissance POE et de réduction de tension pour garantir une puissance de sortie continue et stable, filtre efficacement le bruit et les interférences haute fréquence, répond aux normes IEEE 802.3at/af et prend en charge un fonctionnement fiable dans toute la plage de températures de -40°C à +125°C.
Contrôleur PD
Les principales fonctions incluent :
Détection : identifie si l'appareil est un PD conforme à la norme IEEE 802.3.
Classification : Indique le niveau de puissance requis au PSE
Mise sous tension : se connecte en toute sécurité à l'alimentation après détection et classification
Surveillance : surveille en permanence la puissance d'entrée et met en œuvre des mesures de protection
Convertisseurs DC/DC isolés
Les principales fonctions incluent :
Conversion de tension :Obtenez une conversion efficace de la tension continue de l'entrée à la sortie
Isolation galvanique :Fournit une barrière d'isolation électrique sûre entre les côtés primaire et secondaire
Sortie régulée :Maintient une tension de sortie précise et stable pour garantir un fonctionnement fiable des circuits en aval
Protection contre les pannes :Surveillance en temps réel de l'état du système et mise en œuvre d'une protection contre les surintensités, les surtensions et les surchauffes
4. Processus de conversion de puissance PoE : de 45 V à 3,3 V
Étape 1 : entrée PoE et rectification
Le dispositif PSE fournit une tension continue de 44-57 V sur la paire de fils Ethernet.
Le contrôleur PD gère le courant d'appel pour éviter les surtensions excessives lors du démarrage du système.
Un pont de diodes idéal intégré assure une connexion correcte quelle que soit la polarité.
Étape 2 : Conversion de l'isolement
Le convertisseur DC/DC isolé primaire convertit l'entrée non régulée de 45 V en une tension intermédiaire de 12 V.
Une topologie flyback est utilisée pour une isolation efficace. Par exemple, la conception de référence TIDA-010083 utilise un dispositif flyback avec rectification synchrone, atteignant des rendements allant jusqu'à 92 %.
L'isolation de base de 1 500 V est assurée pour répondre aux normes de sécurité.
Étape 3 : Conversion du point de charge
Un convertisseur abaisseur à haute efficacité (tel que le TPS62801) est utilisé pour convertir le 12 V en 3,3 V.
La rectification synchrone est utilisée pour améliorer l'efficacité de la conversion.
Une régulation précise de la tension (meilleure que ±2 %) est assurée pour répondre aux exigences strictes des composants électroniques modernes.
5. Considérations pratiques sur la conception des circuits
5.1 Disposition et isolation des PCB
Dans la conception des ports Ethernet, la ligne de fuite et le dégagement des traces électriques sont essentiels à la sécurité et à la fiabilité. Les tests en laboratoire montrent que pour résister à des tensions transitoires de 2 kV, l'espacement des traces du circuit imprimé FR4 doit être d'au moins 25 mil.
Stratégie d'isolement :
Canal de données : isolation du signal obtenue via un transformateur réseau.
Canal d'alimentation : isolation de l'alimentation obtenue grâce à un convertisseur DC/DC.
Plan de masse : masses analogiques et numériques séparées, ainsi que le blindage.
Sélectionnez une topologie de conversion à haute-efficacité (telle que active-clamp flyback) ;
Utilisez des MOSFET low-RDS(on) pour réduire les pertes de commutation ;
Concevoir des zones de cuivre et des vias thermiques appropriés ;
Utilisez une conversion de puissance en plusieurs étapes pour optimiser l’efficacité globale.
Les circuits de communication Ethernet et d'alimentation PoE sont des systèmes à signaux mixtes hautement intégrés qui combinent habilement la communication de données haute fréquence avec une transmission d'énergie efficace. Le processus de conversion d'une entrée PoE 45 V instable en une sortie stable de 3,3 V implique plusieurs étapes de gestion sophistiquée de l'alimentation, chacune présentant ses propres défis et solutions de conception.
Grâce à une sélection appropriée des composants, une disposition minutieuse des circuits imprimés et des stratégies de protection rigoureuses, des dispositifs d'alimentation Ethernet PoE fiables, efficaces et conformes aux normes peuvent être construits pour répondre à la demande croissante de transmission simultanée de données et d'énergie dans les appareils connectés modernes.
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Les solutions systématiques de Voohu vont au-delà de la simple correspondance des matériaux. Nous proposons trois propositions de valeur clés :
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