アプリケーションソリューション]イーサネットPoE:PD-側回路設計と雷保護ソリューション

高効率、コンパクトなサイズ、低コストを特徴とするセキュリティ監視機器には、これらの多様な要件を満たすイーサネットパワーオーバーイーサネット (PoE) の出現が必要です。このタイプのセキュリティ機器は、空港、駅、ショッピングモールなどの大規模なシーンで広く使用されています。

Voohu Electronic Technology は、システムレベルのコンポーネント供給、カスタム開発サポート、および詳細な技術能力を含む PoE システムソリューションを提供します。これらのソリューションは評価デモと包括的なテストレポートによって補完され、設計から量産までのプロセス全体を加速します。

1. イーサネット通信インフラ

1.1 Ethernet通信回路構成
標準のイーサネット通信回路は、RJ45 コネクタから PHY チップまでの完全な信号パスを形成するいくつかの主要コンポーネントで構成されています。
RJ45コネクタ:物理ネットワーク接続ポートは、ツイストペアイーサネットケーブルを受け入れるための８ピンコネクタを提供する。
LANトランス（イーサネットトランス）: RJ45 と PHY チップの間に電気的絶縁を提供し、コモンモード除去を強化し、周波数帯域内での高品質の信号伝送を保証します。
TVS アレイ:雷サージ、静電気放電 (ESD)、高速過渡現象 (EFT)、ケーブル放電イベント (CDE) などの過電圧の脅威に対する保護を提供します。
イーサネット PHY チップ: ネットワーク伝送用にデジタル信号をアナログ信号に変換する物理層機能を実装します。

1.2 通信経路と保護メカニズム
イーサネット通信の標準信号パスは次のとおりです。RJ45 コネクタ → ネットワークトランス → TVS アレイ → イーサネット PHY チップ。
この経路では、TVS アレイが重要な保護の役割を果たします。静電容量が低いため (通常 0.4pF ～ 5pF)、信号の歪みを防ぎます。 Wohu の TVS アレイは、1.5pF 未満の安定した寄生容量を維持し、回路干渉を最小限に抑え、ESD、EFT、落雷に対する優れた耐性を提供します。

2. PoE受電装置(PD)の回路構成

2.1 PoE システムの概要
Power over Ethernet (PoE) テクノロジーにより、1 本の Ethernet ケーブルでデータと電力を同時に送信できるため、エンドデバイスの電源要件が大幅に簡素化されます。 PoE システムは IEEE 802.3 規格に準拠しており、給電装置 (PSE) と受電装置 (PD) で構成されます。

2.2 PoE PD 回路コンポーネント
完全な PoE PD 回路は、次のコアコンポーネントで構成されます。

GDT (ガス放電管):一次雷サージ保護を提供し、通常は回路のフロントエンドに配置されます。
PDコントローラー:PoE プロトコルを実装し、電力要件を検出、分類し、PSE とネゴシエーションします。
PoE電源トランス:データ信号と DC 電源の両方を結合する特別に設計されたトランス。
AC/DCコンバータ:不安定な DC 入力を安定した DC 電圧に変換します。
DC/DCコンバータ:さらに、負荷が必要とする正確なレベルに電圧を調整します。

3. コアコンポーネントの機能

3.1 インターフェースと保護コンポーネント

RJ45 コネクタと統合トランス
標準の 8P8C ネットワークインターフェイスを提供します
統合ネットワークトランスとパワーオーバーイーサネット (PoE) のサポート
最大 1500V までの電気絶縁を提供

LANトランスフォーマー
信号の分離とインピーダンスのマッチングを実現し、イーサネットポートの通信ブリッジとして機能します。これらは電気的絶縁を提供し、信号干渉耐性を強化し、従来のインダクタよりも高い伝送速度を提供し、信号ライン上のコモンモードノイズを効果的に抑制します。

TVSアレイ保護回路
TVS アレイはイーサネットポート保護戦略において重要であり、さまざまな過電圧の脅威下で最低のクランプ電圧を提供します。 Voohu TVS アレイは以下を提供します:
ESD保護：±30kV（接触放電）/±30kV（空中放電）
EFT保護: 40A (5/50ns)
雷サージ保護：40A（8/20μs）

電力線CMC
信号の分離とインピーダンスのマッチングを実現し、イーサネットポートの通信ブリッジとして機能します。これらは電気的絶縁を提供し、信号干渉耐性を強化し、従来のインダクタよりも高い伝送速度を提供し、信号ライン上のコモンモードノイズを効果的に抑制します。

GDT（ガス放電管）
高エネルギーのサージに対する最初の保護レベルとして機能し、サージエネルギーの大部分を吸収します。 TVS よりも反応は遅くなりますが、エネルギー吸収能力は優れています。

Voohu の POE 保護ソリューションはレベル 2 保護を利用し、高温下でも信頼性の高い動作と信号の整合性を保証します。 IEC61000-4-2、レベル4、30kV接触放電および30kV空中放電に適合します。（試験条件：IEC61000-4-510/700μs、40Ω、6kV、±5サイクル）

POE電源トランス
安定した POE 電力フィルタリングと電圧低減機能を提供して、継続的かつ安定した電力出力を保証し、高周波ノイズと干渉を効果的に除去し、IEEE 802.3at/af 規格に適合し、-40°C ～ +125°C の全温度範囲で信頼性の高い動作をサポートします。

3.2 電源管理コンポーネント
PDコントローラー
主な機能は次のとおりです。
検出: デバイスが IEEE 802.3 準拠の PD であるかどうかを識別します。
分類: PSE に必要な電力レベルを示します。
電源-オン: 検出および分類後に安全に電源に接続します
監視: 入力電力を継続的に監視し、保護措置を実装します。

絶縁型DC/DCコンバータ

主な機能は次のとおりです。
電圧変換:入力から出力への効率的な DC 電圧変換を実現
ガルバニック絶縁:一次側と二次側の間に安全な電気絶縁バリアを提供します
安定化出力:正確で安定した出力電圧を維持し、下流回路の信頼性の高い動作を保証します。
障害保護:システムステータスのリアルタイム監視と過電流、過電圧、過熱保護の実装

4. PoE 電力変換プロセス: 45V から 3.3V へ

ステージ 1: PoE 入力と整流
PSE デバイスは、イーサネットワイヤペアを介して 44 ～ 57 V DC 電圧を提供します。
PD コントローラーは突入電流を管理し、システム起動時の過度のサージを防ぎます。
統合された理想ダイオードブリッジにより、極性に関係なく適切な接続が保証されます。

ステージ 2: 絶縁変換
プライマリ絶縁型 DC/DC コンバータは、安定化されていない 45V 入力を 12V 中間電圧に変換します。
効率的な分離のためにフライバックトポロジが使用されます。たとえば、TIDA-010083 リファレンスデザインでは、同期整流機能を備えたフライバックデバイスを使用し、最大 92% の効率を達成しています。
安全基準を満たす1500V基本絶縁を確保しています。

ステージ 3: ポイント-オブ-ロード変換
12V を 3.3V に変換するには、高効率の降圧コンバータ (TPS62801 など) が使用されます。
変換効率を向上させるために同期整流が使用されます。
最新の電子部品の厳しい要件を満たすために、正確な電圧レギュレーション (±2% 未満) が提供されます。

5. 実際の回路設計の考慮事項

5.1 PCB のレイアウトと絶縁
イーサネットポートの設計では、沿面距離と電気配線のクリアランスが安全性と信頼性にとって重要です。実験室テストでは、2kV の過渡電圧に耐えるためには、FR4 回路基板のトレース間隔は少なくとも 25mil である必要があることが示されています。
隔離戦略:
データチャネル: ネットワークトランスを通じて信号分離を実現します。
パワーチャンネル: DC/DCコンバーターを通じて電源分離が実現されます。
グランドプレーン: アナロググランドとデジタルグランド、およびシールドを分離します。

5.2 熱管理と効率の最適化
高効率の変換トポロジ (アクティブ-クランプフライバックなど) を選択します。
スイッチング損失を低減するには、low-RDS(on) MOSFET を使用します。
適切な銅領域とサーマルビアを設計します。
多段電力変換を使用して、全体の効率を最適化します。

イーサネット通信とPoE電源回路は、高周波データ通信と効率的な電力伝送を巧みに組み合わせた高度に統合された混合信号システムです。不安定な 45V PoE 入力から安定した 3.3V 出力への変換プロセスには、洗練された電源管理の複数の段階が含まれ、それぞれに独自の設計上の課題と解決策が存在します。

適切なコンポーネントの選択、慎重な PCB レイアウト、および厳格な保護戦略を通じて、信頼性が高く効率的で規格に準拠したイーサネット PoE 電源デバイスを構築し、最新の接続デバイスにおけるデータと電力の同時伝送の需要の高まりに対応できます。

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