CN106027269B - 以太网用电设备及其防护电路 - Google Patents

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Abstract

一种以太网用电设备防护电路，用于对以太网设备进行电磁兼容性防护；以太网设备包括POE接口、网络变压器、POE电源控制电路以及主功能电路；以太网用电设备防护电路包括：第一级防护电路，与网络变压器的初级侧连接；第二级防护电路，连接于网络变压器的初级侧和POE电源控制电路的输入端之间，且与第一级防护电路连接；以及第一隔离电路，连接于POE电源控制电路和主功能电路之间。上述以太网用电设备防护电路提高了以太网用电设备的稳定性和EMC防护等级。本发明还涉及一种以太网用电设备。

Description

以太网用电设备及其防护电路
技术领域
本发明涉及以太网供电技术领域，特别是涉及一种以太网用电设备及其防护电路。
背景技术
以太网供电(Power over Ethernet，POE)是指以太网供电设备(Power SourcingEquipment，PSE)通过以太网电缆向用电设备(Powered Device，PD)进行供电的技术。传统的PD设备的电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)防护不够全面，防护等级较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种EMC防护等级高的以太网用电设备及其防护电路。
一种以太网用电设备防护电路，用于对以太网设备进行电磁兼容性防护；所述以太网设备包括POE接口、网络变压器、POE电源控制电路以及主功能电路；所述POE接口、所述网络变压器以及所述主功能电路依次连接；所述POE电源控制电路的输入端与所述网络变压器的初级侧连接，所述POE电源控制电路的输出端与所述主功能电路连接；所述以太网用电设备防护电路包括：第一级防护电路，与所述网络变压器的初级侧连接；所述第一级防护电路用于将浪涌电压嵌位至第一电压；第二级防护电路，连接于所述网络变压器的初级侧和所述POE电源控制电路的输入端之间，且与所述第一级防护电路连接；所述第二级防护电路用于将经所述第一级防护电路嵌位后的浪涌残压嵌位至第二电压；所述第二电压小于或等于所述POE电源控制电路的最大承受电压；所述第一级防护电路和所述第二级防护电路形成差模防护；以及第一隔离电路，连接于所述POE电源控制电路和所述主功能电路之间；所述第一隔离电路用于将所述POE电源控制电路和所述主功能电路进行隔离连接，以使得所述POE电源控制电路控制所述POE接口输入的外部电源向所述主功能电路进行供电；所述第一级防护电路还与所述第一隔离电路形成共模防护。
在其中一个实施例中，所述第一级防护电路包括共模防护电路；所述共模防护电路包括连接在所述网络变压器的初级侧中心抽头和所述参考地之间的压敏电阻。
在其中一个实施例中，还包括第一级差模防护电路；所述第一级差模防护电路包括串联在所述网络变压器的初级侧的差分中心抽头对之间的压敏电阻。
在其中一个实施例中，所述第一级防护差模防护电路中的压敏电阻和所述共模防护电路中的压敏电阻共用；所述压敏电阻用于将所述浪涌电压嵌位至第一电压。
在其中一个实施例中，所述第二级防护电路包括第二级差模防护电路；所述第二级差模防护电路采用瞬变电压抑制二极管。
在其中一个实施例中，还包括整流电路和共模滤波电路；所述整流电路连接于所述网络变压器的初级侧和所述共模滤波电路之间；所述共模滤波电路与所述第二级差模防护电路连接。
在其中一个实施例中，所述第一隔离电路包括变压器、光耦隔离器以及地隔离元件；所述变压器的初级绕组与所述POE电源控制电路连接；所述变压器的次级绕组与所述主功能电路连接；所述光耦隔离器的光发射器与所述变压器的次级绕组连接；所述光耦隔离器的光接收器与所述POE电源控制电路连接；所述地隔离元件用于将所述POE电源控制电路的地与所述主功能电路的地进行隔离连接。
在其中一个实施例中，还包括网络信号差模防护电路；所述网络信号差模防护电路连接在所述网络变压器的次级侧和所述主功能电路之间；所述网络信号差模防护电路用于将所述网络变压器输出的浪涌电压嵌位至目标电压并进行分压限流，以保护所述主功能电路。
在其中一个实施例中，所述以太网用电设备防护电路集成在印刷电路板上；所述第一级防护电路和所述第二级防护电路之间区域的印刷电路板内层为中空层；所述POE电源控制电路与所述主功能电路之间在所述印刷电路板上的距离均大于预设间距以使得浪涌残压不会产生高压击穿放电。
一种以太网用电设备，包括POE接口、网络变压器、POE电源控制电路以及主功能电路；所述POE接口、所述网络变压器以及所述主功能电路依次连接；所述POE电源控制电路的输入端与所述网络变压器的初级侧连接，所述POE电源控制电路的输出端与所述主功能电路连接；还包括如前述任一实施例所述的以太网用电设备防护电路。
上述以太网用电设备及其防护电路，通过第一级防护电路和第二级防护电路的作用，可以将浪涌残压嵌位至第二电压，第二电压小于或等于POE电源控制电路的最大承受电压，从而可以确保POE电源控制电路的安全。通过降低浪涌电残压可以有效降低以太网用电设备的电磁干扰并提高其抗电磁干扰性，从而极大地提高了以太网用电设备的EMC防护等级。同时，通过第一隔离电路的隔离作用，可以减小电路之间的相互干扰，进一步提高了以太网用电设备的稳定性和EMC防护等级。
附图说明
图1为一实施例中的以太网用电设备的原理框图；
图2为图1中的POE接口的电路原理图；
图3为图1中的网络变压器的电路原理图；
图4为图3中的网络变压器的内部结构示意图；
图5为图1中的第一级防护电路的电路原理图；
图6为图1中的保护地和功能地进行隔离连接的电路示意图；
图7为图1中的第二级防护电路的电路原理图；
图8为图1中的POE电源控制电路中的POE电源控制芯片的电路原理图；
图9为图1中的第一隔离电路的电路原理图；
图10为图1中的PHY芯片的电路原理图；
图11～图14为图1中的网络信号差模防护电路的电路原理图；
图15为对以太网用电设备进行辐射干扰测试后得到的曲线图；
图16为POE接口信号传导测试曲线图；
图17为图15和图16的测试结果表图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一实施例中的以太网用电设备的原理框图。该以太网用电设备包括以太网POE接口110、网络变压器120、主功能电路130以及POE电源控制电路140，还包括以太网用电设备防护电路(以下简称防护电路)。其中，POE接口110、网络变压器120以及主功能电路130依次连接。POE接口110的电路原理图如图2所示。其中，POE接口110采用RJ45接口。网络变压器120的电路原理图如图3所示，网络变压器120的内部结构示意图如图4所示。网络变压器120的初级侧和次级侧均包括四个中心抽头，并两两形成一组差分中心抽头对。网络变压器120的初级侧的四个中心抽头MCT0、MCT1、MCT2和MCT3之中，MCT0、MCT1形成一组差分中心抽头对，MCT2、MCT3形成一组差分中心抽头对。在本实施例中，网络变压器120的初级侧为保护地，次级侧为数字地。初级侧的保护地和次级侧的数字地之间通过高压电容进行隔离连接。POE电源控制电路140的输入端连接于网络变压器120的初级侧，输出端则与主功能电路130连接，以控制POE接口110输入的电源转换为目标电源电压后向主功能电路130供电。在本实施例中，主功能电路130包括PHY芯片132和主功能芯片134。POE电源控制电路140则包括POE电源控制芯片。
防护电路包括第一级防护电路210、第二级防护电路230以及第一隔离电路240。
第一级防护电路210与网络变压器120的初级侧连接，用于将POE接口110输入的浪涌电压嵌位至第一电压。图5为一实施例中的第一级防护电路210的电路原理图。在本实施例中，第一级防护电路210包括共模防护电路和第一级差模防护电路。其中，共模防护电路包括分别连接在网络变压器120的四个中心抽头MCT1、MCT2、MCT3和MCT4与参考地之间的压敏电阻RV1412、RV1413、RV1410和RV1414。当以太网用电设备为接地产品时，参考地可以为保护地(也就是机壳地)PGND；当以太网用电设备为浮地产品(也即非接地产品时)，参考地为功能地GND。在本实施例中，保护地PGND和功能地GND之间也进行了隔离，以降低相互之间的电磁干扰，如图6所示。具体地，保护地PGND和功能地GND之间可以通过高压电容进行隔离连接。通过压敏电阻RV1412、RV1413、RV1410和RV1414的嵌位作用，可以将POE接口110输入的浪涌电压嵌位至第一电压。具体地，可以将输入的浪涌6KV时的共模残压嵌位至105V左右。第一级差模防护电路则包括串联在网络变压器120的初级侧的差分中心抽头对之间的压敏电阻。在本实施例中，第一级差模防护电路中的压敏电阻和共模防护电路中的压敏电阻共用。参见图5，其中，压敏电阻RV1412、RV1413串联在由MCT0、MCT1形成的差分中心抽头对之间，从而形成差模防护，压敏电阻RV1410和RV1414则串联在由MCT2、MCT3形成的差分中心抽头对之间，从而形成差模防护。通过第一级差模防护电路和共模防护电路中的器件的共用，可以降低电路复杂度和设备成本。第一级防护电路210还包括匹配电路。匹配电路包括分别连接在网络变压器120的四个中心抽头和参考地之间的匹配单元212。匹配单元212包括串联的电阻和电容，以实现电路中的信号匹配。
第二级防护电路230连接在网络变压器120的初级侧和POE电源控制电路之140之间。第二级防护电路230用于将经过第一级防护电路210嵌位后的浪涌残压嵌位至第二电压。第二电压小于或者等于POE电源控制电路140的最大承受电压。图7为一具体实施例中的第二级防护电路230的电路原理图。该第二级防护电路230包括第二级差模防护电路。在本实施例中，第二级差模防护电路采用瞬变电压抑制二极管TVS1进行二次防护。通过两级防护后，可以将浪涌6KV的差模残压嵌位至80V左右，从而在POE电源控制电路140的POE电源控制芯片U24的可承受范围内。在本实施例中，上述防护电路还包括整流电路150和共模滤波电路160。整流电路150连接于网络变压器120的初级侧和共模滤波电路160之间。共模滤波电路160则与第二级防护电路230连接。如图7所示，整流电路150包括两个全桥整流电路D4和D6，以将网络变压器120的四路输出(对应中心抽头)整合为2路(一正一负)线路。共模滤波电路160包括共模电感L1。共模电感L1可以进行退耦并起到延时作用，从而确保第一级防护电路210中的压敏电阻先于TVS1管动作，进而确保TVS1管不被损坏，提高了产品的可靠性。共模电感L1的直流电阻DCR可以根据第一电压和第二电压以及TVS1管的嵌位电流进行确定。在本实施例中，共模电感L1的直流电阻DCR在0.6欧姆左右。
第一隔离电路240连接在POE电源控制电路140和主功能电路130之间。第一隔离电路240用于将POE电源控制电路140与主功能电路130进行隔离连接，以使得POE电源控制电路140控制POE接口110输入的电源向主功能电路130进行供电。图8为图1中的POE电源控制电路140中的POE电源控制芯片的电路原理图；图9为图1中的第一隔离电路240的电路原理图。参见图9，第一隔离电路240包括变压器T3、光耦隔离器U3A1和高压电容C1181。其中，高压电容C1181作为地隔离元件，以将POE电源控制电路140的地(FGND)与主功能电路130的地进行高压隔离连接，从而降低二者之间的相互干扰。变压器T3的初级绕组与POE电源控制电路140中的POE电源控制芯片U24连接。变压器T3的次级绕组作为电压输出端向主功能电路130中的PHY芯片132和主功能芯片134等供电。光耦隔离器U3A1用于将输出电压隔离反馈至POE电源控制芯片U24。具体地，光耦隔离器U3A1的光发射器与变压器T3的次级绕组连接，光接收器则与POE电源控制芯片U24连接。通过第一隔离电路240可以将POE电源控制电路140与主功能电路130进行高压隔离连接。
在本实施例中，为确保各电路之间有效隔离，在印刷电路板PCB上进行设计时也会进行隔离连接。具体地，POE电源控制电路140以及主功能电路130之间的间距设置为大于预设间距，以使得浪涌残压不会产生高压击穿放电。在本实施例中，POE电源控制电路140以及主功能电路130之间的间距设置在120mil左右。在本实施例中，还会将第一级防护电路210和第二级防护电路230之间区域的印刷电路板内存掏空形成中空层，以免出现高压放电现象，保证系统的可靠性。
在本实施例中，上述防护电路还包括网络信号差模防护电路170。网络信号差模防护电路170连接在网络变压器120的次级侧和主功能电路130的PHY芯片132之间。网络信号差模防护电路170用于将网络变压器120输出的浪涌电压嵌位至目标电压并进行分压限流，从而使得PHY芯片132的输入端的浪涌性能满足要求，并使得电流电压在PHY芯片132的可接受范围内，以保护主功能电路130。图10为PHY芯片的电路原理图，图11～图14为一实施例中的网络信号差模防护电路170的电路原理图。网络信号差模防护电路170包括串联在网络变压器120的次级侧的差分对之间的TVS管，以及连接在TVS管后的小电阻(小于2.2欧姆)。通过小电阻进行分压和限流，从而保证后级电路不受损坏。经过电阻后的浪涌残压控制在10V以下，从而满足差模浪涌2KV(4级)的需求。
上述以太网用电设备防护电路，通过第一级防护电路210和第二级防护电路230的作用，可以将浪涌残压嵌位至第二电压，第二电压小于或等于POE电源控制电路140的最大承受电压，从而可以确保POE电源控制电路140的安全。通过降低浪涌残压可以有效降低以太网用电设备的电磁干扰并提高其抗电磁干扰性，从而极大地提高了以太网用电设备的EMI防护等级。同时，第一隔离电路240的隔离作用，可以减小电路之间的相互干扰，进一步提高了以太网用电设备的稳定性和EMC防护等级。图15为通过共模滤波电路160对以太网用电设备进行辐射干扰测试后得到的曲线图。其中，A曲线表示标准中的限值要求，B曲线表示限值下面6dB的余量线，C表示实际测量曲线。图16为POE接口信号传导测试曲线图。其中，D表示标准定义QP(准峰值)的限值要求，E表示标准定义AV(平均峰值)的限值要求，F表示QP实际测量结果曲线，G表示AV实际测量曲线，图17为测试结果表图。从以上测试结果可知，通过上述防护电路进行防护后的以太网用电设备整体上EMC性能能够达到一个较好的效果，辐射传导能到CLASS B 4dB以上的余量。在本实施例中，还对第一级防护电路210后的浪涌残压及电流波形进行测试，，并对在第二级防护电路230后面的浪涌残压及电流波形进行测试。其中，第一级防护电路210后测试的最大浪涌残压为93.6V，最小为25.2V，峰-峰值测定的浪涌残压为68.4V；第二级防护电路后测得的最大浪涌残压为84.8V，最小为35.2V，峰-峰值测定为49.5V。显然经过两级防护后的浪涌残压已在POE电源控制芯片U24的可承受范围，从而可以对POE芯片产生较好保护，降低浪涌残压带来的干扰。在本实施例中，为对本防护电路的防护性能进行进一步验证，还针对不同型号的POE电源控制芯片的PD产品的POE接口110以及网口(也即PHY芯片132的输入端)的浪涌性能进行了测试，测试结果统计如下表：
Figure BDA0001042450420000081
根据上述测试统计结果可知，通过防护电路进行防护后，POE接口的浪涌性能差模、共模都能够达到±6KV(1.2/50uS、10/700uS 12欧姆内阻)以上，网口的差模浪涌达到±2KV以上、共模浪涌达到±6KV以上，均能够满足设备的浪涌性能要求。上述以太网用电设备防护电路能够为百兆网络的POE接口进行防护，还能够满足1000Mbps网络的POE接口防护需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种以太网用电设备防护电路，用于对以太网设备进行电磁兼容性防护；所述以太网设备包括POE接口、网络变压器、POE电源控制电路以及主功能电路；所述POE接口、所述网络变压器以及所述主功能电路依次连接；所述POE电源控制电路的输入端与所述网络变压器的初级侧连接，所述POE电源控制电路的输出端与所述主功能电路连接；其特征在于，所述以太网用电设备防护电路包括：
第一级防护电路，与所述网络变压器的初级侧连接；所述第一级防护电路用于将浪涌电压嵌位至第一电压；
第二级防护电路，连接于所述网络变压器的初级侧和所述POE电源控制电路的输入端之间，且与所述第一级防护电路连接；所述第二级防护电路用于将经所述第一级防护电路嵌位后的浪涌残压嵌位至第二电压；所述第二电压小于或等于所述POE电源控制电路的最大承受电压；所述第一级防护电路和所述第二级防护电路形成差模防护；以及
第一隔离电路，连接于所述POE电源控制电路和所述主功能电路之间；所述第一隔离电路用于将所述POE电源控制电路和所述主功能电路进行隔离连接，以使得所述POE电源控制电路控制所述POE接口输入的外部电源向所述主功能电路进行供电；所述第一级防护电路还与所述第一隔离电路形成共模防护；
所述第一级防护电路包括第一级差模防护电路；所述第一级差模防护电路包括串联在所述网络变压器的初级侧的差分中心抽头对之间的压敏电阻。
2.根据权利要求1所述的以太网用电设备防护电路，其特征在于，所述第一级防护电路还包括共模防护电路；所述共模防护电路包括连接在所述网络变压器的初级侧中心抽头和参考地之间的压敏电阻。
3.根据权利要求2所述的以太网用电设备防护电路，其特征在于，所述第一级差模防护电路中的压敏电阻和所述共模防护电路中的压敏电阻共用；所述压敏电阻用于将所述浪涌电压嵌位至第一电压。
4.根据权利要求1所述的以太网用电设备防护电路，其特征在于，所述第二级防护电路包括第二级差模防护电路；所述第二级差模防护电路采用瞬变电压抑制二极管。
5.根据权利要求4所述的以太网用电设备防护电路，其特征在于，还包括整流电路和共模滤波电路；所述整流电路连接于所述网络变压器的初级侧和所述共模滤波电路之间；所述共模滤波电路与所述第二级差模防护电路连接。
6.根据权利要求1所述的以太网用电设备防护电路，其特征在于，所述第一隔离电路包括变压器、光耦隔离器以及地隔离元件；所述变压器的初级绕组与所述POE电源控制电路连接；所述变压器的次级绕组与所述主功能电路连接；所述光耦隔离器的光发射器与所述变压器的次级绕组连接；所述光耦隔离器的光接收器与所述POE电源控制电路连接；所述地隔离元件用于将所述POE电源控制电路的地与所述主功能电路的地进行隔离连接。
7.根据权利要求1所述的以太网用电设备防护电路，其特征在于，还包括网络信号差模防护电路；所述网络信号差模防护电路连接在所述网络变压器的次级侧和所述主功能电路之间；所述网络信号差模防护电路用于将所述网络变压器输出的浪涌电压嵌位至目标电压并进行分压限流，以保护所述主功能电路。
8.根据权利要求1所述的以太网用电设备防护电路，其特征在于，所述以太网用电设备防护电路集成在印刷电路板上；所述第一级防护电路和所述第二级防护电路之间区域的印刷电路板内层为中空层；所述POE电源控制电路与所述主功能电路之间在所述印刷电路板上的距离均大于预设间距以使得浪涌残压不会产生高压击穿放电。
9.一种以太网用电设备，包括POE接口、网络变压器、POE电源控制电路以及主功能电路；所述POE接口、所述网络变压器以及所述主功能电路依次连接；所述POE电源控制电路的输入端与所述网络变压器的初级侧连接，所述POE电源控制电路的输出端与所述主功能电路连接；其特征在于，还包括如权利要求1～8任一所述的以太网用电设备防护电路。
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