CN102904235B - 以太网络受电电路与其静电防护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种以太网络受电电路与其静电防护电路，其静电防护电路包括瞬态电压抑制器与高压电容。瞬态电压抑制器与高压电容串联耦接于以太网络受电电路的负电源端与接地端之间，藉此降低静电放电或瞬时电压浪涌发生时对系统故障或损害。

Description

以太网络受电电路与其静电防护电路

技术领域

本发明涉及一种静电防护电路，且特别涉及一种应用以太网络供电(Power over Ethernet，PoE)系统的受电设备(Powered Device，PD)中的静电防护电路。

背景技术

以太网络供电(PoE)技术是指通过以太网络的缆线传输数据与电力到装置的技术，其系统主要分为供电设备(Power Sourcing Equipment，PSE)与受电设备(PD)。受电设备例如是无线基站、网络电话、集线器、网络摄像机与计算机等，这些装置可以通过以太网络双绞线(RJ-45连接器)供电，不需要额外设置电源插座就可使用。

采用以太网络供电技术的设备可经由RJ-45网络插座来传递电力与数据，由于RJ-45网络插座是目前全球普遍使用的网络接头，因此几乎所有的以太网络供电设备对目前的网络环境都具有相容性。由于PoE不需要更改以太网络的缆线架构即可运作，所以采用PoE系统不但可以节省配置电源线的时间与费用，还具备了远程通电、断电的能力。

近年来随着高精密度且快速发展的电子产品的增加，对于静电放电(ElectroStatic Discharge，ESD)防护的技术越来越受到重视。由于PoE系统经常受到静电放电威胁，在设计时必须考虑保护以太网络实体层收发器(physical layer receiver)能够承受电压冲击。一般而言，PoE芯片内部所设置的ESD防护电路无法提供系统级静电放电防护所需的强韧度，而且建置有效的芯片防护成本也过高。为了满足全球标准的相容性要求，并确保系统的可靠性，目前以太网络供电系统的设计业者大都采取芯片外部电路保护。目前常见的方式是采用一个速度很快的萧特基二极管(schottky diode)，将电流引到接地，避免对系统产生破坏或因为ESD的放电波形而产生错误的动作。

发明内容

本发明提出一种以太网络受电电路与其静电防护电路，其静电防护电路由串联的瞬态电压抑制器与高压电容，可以达到有效降低静电放电或瞬时电压浪涌(transient voltage surge)对以太网络电子设备造成的误动作或损害。

本发明提出一种以太网络受电电路的静电防护电路，以太网络受电电路设置于一受电设备中，以太网络受电电路具有一控制单元，其具有一正电源端与一负电源端。静电防护电路包括瞬态电压抑制器(Transient VoltageSuppressor，TVS)与高压电容(high-voltage capacitor)。瞬态电压抑制器具有一第一端与一第二端，其第一端耦接于负电源端。高压电容则耦接瞬态电压抑制器的第二端与接地端之间。

在本发明另一实施例中，上述静电防护电路也可应用在正电源端，以降低静电放电发生在正电源时所造成的损害。另外，依照电路设计需求，上述静电防护电路也可以同时应用在正电源端与负电源端，以降低静电放电发生在正电源与负电源端时所造成的损害。

从另一个角度来看，本发明提出一种具有上述静电防护电路的以太网络受电电路，其负电源端与正电源端可以分别或同时设置静电防护电路，以降低静电放电发生时的损害。

综上所述，本发明以串联的瞬态电压抑制器与高压电容做为静电防护电路使用，可以有效降低静电放电发生时所造成的系统误动作与损害。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示本发明第一实施例的以太网络供电(Power on Ethernet，PoE)系统的示意图。

图2绘示PoE操作模式的PoE操作模式的起始信号示意图。

图3绘示本发明第一实施例的以太网络受电电路的静电防护电路示意图。

图4绘示瞬态电压抑制器312的电压-电流特性示意图。

图5绘示本发明第一实施例的以太网络受电电路的电路细节示意图。

图6绘示本发明第二实施例的以太网络受电电路示意图。

图7绘示本发明第三实施例的以太网络受电电路示意图。

【主要元件符号说明】

110：供电设备

112：以太网络供电电路

114：网络变压器

116：RJ-45连接器

120：受电设备

122：以太网络受电电路

126：RJ-45连接器

VOUT：输出电压

310：静电防护电路

312：瞬态电压抑制器

314：电容

320：控制单元

330：直流电压转换电路

+POE：正电源端

-POE：负电源端

PWM：脉冲宽度调制信号

GND：接地端

500：以太网络受电电路

520：控制单元

522：POE受电芯片

530：直流电压转换电路

600：以太网络受电电路

610：静电放电防护电路

612：瞬态电压抑制器

614：电容

700：以太网络受电电路

710：静电放电防护电路

712、716：瞬态电压抑制器

714、718：电容

具体实施方式

在下文中，将通过图式说明本发明的实施例来详细描述本发明，而图式中的相同参考数字可用以表示类似的元件。

(第一实施例)

请参照图1，其绘示本发明第一实施例的以太网络供电(Power onEthernet，PoE)系统的示意图。供电设备(Power sourcing equipment，PSE)110可以经由以太网络传输电力与数据至受电设备(Powered Device，PD)120，其两者可利用RJ-45连接器与双绞线(网络线)连接。PoE分为A、B两种供电模式，模式A利用RJ-45连接器的1、2、3、6引脚来传递电力；模式B则利用RJ-45连接器的4、5、7、8引脚来传递电力。

供电设备110具有以太网络供电电路(PoE PSE circuit)112与网络变压器114，用以将电力与数据传递至RJ-45连接器116。受电设备120包括以太网络受电电路(PoE PD circuit)122，可以经由RJ-45连接器126接收数据与电力，并将所接收的电力转换为系统所需的(直流)输出电压VOUT，以提供受电设备120使用。RJ-45连接器116与RJ-45连接器126之间则可通过网络线连接。采用PoE系统不但可节省布线，还具备了远程通电、断电的能力。

依据IEEE 802.3af的规范，当受电设备120连接至供电设备110时，供电设备110会依序传递数个程序的电压波形至受电设备120，以检测受电设备120是否支持以太网络供电，如图2所示，其绘示PoE操作模式的起始信号示意图。上述程序包括检测(Discovery)、分类(Classification)、全电源(Full Power Application)、移除电源(Power Removal)等。由于供电设备110所提供的高电压会对传统的设备造成伤害，因此供电设备110在供电前会进行Discovery程序，传送电压范围2.7V至10V的检测电压至受电设备120，以检测受电设备120是否支持PoE技术。其他程序的说明请参照IEEE802.3af的规范，在此不加赘述。

如图2所示，由于静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)波形可能与图2中的检测波形相似，这可能造成供电设备或受电设备120的误动作或是损害受电设备120。为避免此种问题发生，本实施例在受电设备120中设置静电放电防护电路，来防止受电设备120受到瞬态电压(如静电放电、线缆放电或瞬态电压浪涌(transient voltage surge))的损害。

请参照图3，其绘示本发明第一实施例的以太网络受电电路的静电防护电路示意图。以太网络受电电路122包括静电防护电路310、控制单元320与直流电压转换电路330。控制单元320具有正电源端+POE与负电源端-POE，分别用来接收正、负POE电源，如RJ-45连接器126的第4、5引脚所传递的正电压与RJ-45连接器126的第7、8引脚所传递的负电压，但本实施例不受限于此。直流电压转换电路330接收正电源端+POE与负电源端-POE所传递的正、负电压，并且耦接于控制单元320，以接收控制单元320所输出的脉冲宽度调制信号PWM。直流电压转换电路330会根据脉冲宽度调制信号PWM的有效周期(duty cycle)调整输出电压VOUT的大小。

静电防护电路310耦接控制单元320的负电源端-POE，用以避免静电放电损害到控制单元320，其包括瞬态电压抑制器(Transient VoltageSuppressor，TVS)312与电容314。电容314的电容314会高于瞬态电压抑制器312的等效电容值(内部的寄生电容)，电容314的电容值例如大于1000皮法(picofarad，pF)。瞬态电压抑制器312的第一端耦接于负电源端-POE，第二端耦接于电容314。瞬态电压抑制器312与电容314串联耦接于负电源端-POE与接地端GND之间。在本实施例中，瞬态电压抑制器312与电容314直接耦接于负电源端-POE与接地端GND之间，但本实施例不限制于此。

瞬态电压抑制器312是可以对瞬态电压产生反应的元件。当静电放电或瞬时电压浪涌发生时，瞬态电压抑制器312会因为瞬间的高电压而导通，以将瞬间的大电流引导至接地，避免电流进入控制单元320而造成损坏。一般所知的瞬态电压抑制器312例如是齐纳二级体(zener diode)、瞬态电压抑制二极管(TVS diode)、金属氧化物(Metal Oxide Varistor，MOV)、多层金属氧化物结构元件(Multi-Layer Varistor，MLV)或多层陶瓷薄膜(CeramicLayer)结构等，但本实施例不限制于此。瞬态电压抑制器312的电压-电流特性如图4所示，其绘示瞬态电压抑制器312的电压-电流特性示意图。

由图4可知，当瞬态电压抑制器312的两端的电压超过阈值时，瞬态电压抑制器312的电阻会大幅度的降低(例如由10⁹欧姆降至数欧姆)，以诱导电流由瞬态电压抑制器312通过，而不流入系统中。也就是说，瞬态电压抑制器312会随着瞬间发生的高电压(如ESD放电)而产生短路现象，藉此让系统得到保护。

再参照图3，在本实施例中，瞬态电压抑制器312并未直接耦接于接地端GND，而是通过电容314，其中电容314为高压电容，可以忍受ESD或瞬态电压浪涌所产生的高电压。电容314直接耦接于瞬态电压抑制器312与接地端GND之间，具有滤波与稳压(等电位)的功能。瞬态电压抑制器312则是为了不让起始信号(如图2所示)因为串接电容而使信号劣化，藉此使ESD在第一时间释放到接地，而避免损害内部电子元件。

请参照图5，其绘示本发明第一实施例的以太网络受电电路的电路细节示意图。以太网络受电电路500系利用POE受电芯片522与周边电路实现控制单元520，其中POE受电芯片522例如为国家半导体(NationalSemiconductor)所出产的LM5072，但本实施例不限制控制单元520的实施方式。POE受电芯片522的正电源端+POE与负电源端-POE分别用以正、负POE电源。直流电压转换电路530的电路结构例如为反驰式转换电路，会依据POE受电芯片522所输出的脉冲宽度调制信号PWM调整输出电压VOUT。直流电压转换电路530可以依据设计需求调整电路架构，以达到多电压输出或更好的转换效率，本实施例不限制于此。

静电放电防护电路310耦接于负电源端-POE与接地端GND之间，可以防止静电放电或瞬态电压浪涌影响到POE受电芯片522的正常操作与模式判断。图5与图3主要差异在于电路实施细节，除了静电放电防护电路310以外的实施细节可参照所使用的PoE芯片说明书，在此不加赘述。

(第二实施例)

上述图3中的静电放电防护电路310可以应用在正电源端+POE，以防止在正电源端+POE所发生静电放电或瞬态电压浪涌损伤控制单元320。请参照图6，其绘示本发明第二实施例的以太网络受电电路示意图。以太网络受电电路600包括静电放电防护电路610、控制单元320与直流电压转换电路330。静电放电防护电路610由串联的瞬态电压抑制器612与电容614构成，其直接耦接于正电源端+POE与接地端GND之间。电容614例如为高压电容。静电放电防护电路610可以将瞬间的过激电流引导至接地端GND，以有效降低静电放电或瞬态电压浪涌在正电源端+POE处发生时所造成的损伤或者芯片的误动作。

(第三实施例)

上述图3中的静电放电防护电路310可以同时应用在正电源端+POE与负电源端-POE，以同时防止在正电源端+POE所发生静电放电或瞬态电压浪涌损伤控制单元320。请参照图7，其绘示本发明第三实施例的以太网络受电电路示意图。以太网络受电电路700包括静电放电防护电路710、控制单元320与直流电压转换电路330。

静电放电防护电路710包括瞬态电压抑制器712、716与电容714、718，其电容714、718例如为高压电容。瞬态电压抑制器712与电容714串联耦接于正电源端+POE与接地端GND之间，而瞬态电压抑制器716与电容718串联耦接于负电源端-POE与接地端GND之间。藉此，静电放电防护电路310可以有效降低静电放电或瞬态电压浪涌在正电源端+POE或负电源端-POE处发生时所造成的芯片损伤或误动作。

上述实施例中的静电放电防护电路310、610、710可以有效防止静电放电时所产生的电压放电波型进入控制单元320中而造成误动作或者元件损伤。使用者可以依照设计需求与成本，将上述实施例中的静电放电防护电路310、610、710应用在PoE电子设备中(例如路由器、扫描器、桌上型计算机与带有电源的信号线)，以达到静电放电防护的功效。值得注意的是，本实施例不限制应用静电放电防护电路310、610、710的以太网络受电电路架构。在经由上述实施例的说明后，本领域技术人员应可推知其他实施方式，在此不加赘述。

另外，上述以太网络受电电路300、600、700可以利用模块、芯片或者离散元件(discrete elements)等方式实现，其形式可为独立的模块或者整合于系统主机板上，本发明不受限制。

此外，值得注意的是，上述元件之间的耦接关系包括直接或间接的电性连接，只要可以达到所需的电信号传递功能即可，本发明并不受限。上述实施例中的技术手段可以合并或单独使用，其元件可依照其功能与设计需求增加、去除、调整或替换，本发明并不受限。在经由上述实施例的说明后，本技术领域具有通常知识者应可推知其实施方式，在此不加赘述。

综上所述，本发明的静电放电防护电路可以应用在以太网络受电电路上，以避免静电放电或瞬态电压发生时，造成系统误动作或损伤。此外，本发明的静电放电防护电路的结构精简，利用简易的布局(layout)方式即可达到抑制与防护ESD的功效，并且可以快速的整合至任一PoE电子设备上，进而降低实施成本与电路空间，相当具有产业利用性。通过本发明的技术手段，可以大幅提高信号品质的稳定及灵敏度。

虽然本发明的优选实施例已公开如上，然本发明并不受限于上述实施例，本领域技术人员在不脱离本发明所公开的范围内，当可作些许的更动与调整，因此本发明的保护范围应当以后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (13)

1.一种以太网络受电电路的静电防护电路，该以太网络受电电路设置于一受电设备中，该以太网络受电电路具有一控制单元，该控制单元具有一正电源端与一负电源端，该静电防护电路包括：

一第一瞬态电压抑制器，具有一第一端与一第二端，该第一瞬态电压抑制器的该第一端耦接于该负电源端；以及

一第一高压电容，耦接该第一瞬态电压抑制器的该第二端与一接地端之间。

2.如权利要求1所述的以太网络受电电路的静电防护电路，其中该以太网络受电电路还包括一直流电压转换电路，耦接于该控制单元，根据该控制单元所输出的一脉冲宽度调制信号调整一输出电压。

3.如权利要求1所述的以太网络受电电路的静电防护电路，其中该第一高压电容的电容值大于该第一瞬态电压抑制器的元件电容值。

4.如权利要求1所述的以太网络受电电路的静电防护电路，其中该控制单元的该正电源端用以接收48V的直流电压，该负电源端用以接收-48V的直流电压。

5.如权利要求1所述的以太网络受电电路的静电防护电路，其中该第一瞬态电压抑制器与该第一高压电容直接串联耦接于该负电源端与该接地端之间。

6.如权利要求1所述的以太网络受电电路的静电防护电路，还包括：

一第二瞬态电压抑制器，具有一第一端与一第二端，该第二瞬态电压抑制器的该第一端连接于该正电源端；以及

一第二高压电容，耦接该第二瞬态电压抑制器的该第二端与一接地端之间。

7.一种以太网络受电电路的静电防护电路，适用于一受电设备，该以太网络受电电路具有一控制单元，该控制单元具有一正电源端与一负电源端，该静电防护电路包括：

一瞬态电压抑制器，具有一第一端与一第二端，该瞬态电压抑制器的该第一端耦接于该正电源端；以及

一高压电容，耦接该瞬态电压抑制器的该第二端与一接地端之间。

8.如权利要求7所述的以太网络受电电路的静电防护电路，其中该高压电容的电容值大于该瞬态电压抑制器的元件电容值。

9.一种以太网络受电电路，适用于一受电设备，包括：

一控制单元，具有一正电源端与一负电源端；

一直流电压转换电路，耦接于该控制单元，根据该控制单元所输出的一脉冲宽度调制信号调整一输出电压；以及

一静电防护电路包括：

一第一瞬态电压抑制器，具有一第一端与一第二端，该第一瞬态电压抑制器的该第一端耦接于该负电源端；以及

一第一高压电容，耦接该第一瞬态电压抑制器的该第二端与一接地端之间。

10.如权利要求9所述的以太网络受电电路，其中该第一高压电容的电容值大于该第一瞬态电压抑制器的元件电容值。

11.如权利要求9所述的以太网络受电电路，其中该静电防护电路还包括：

一第二瞬态电压抑制器，具有一第一端与一第二端，该第二瞬态电压抑制器的该第一端耦接于该正电源端；以及

一第二高压电容，耦接该第二瞬态电压抑制器的该第二端与一接地端之间。

12.一种以太网络受电电路，适用于一受电设备，包括：

一控制单元，具有一正电源端与一负电源端；

一直流电压转换电路，耦接于该控制单元，根据该控制单元所输出的一脉冲宽度调制信号调整一输出电压；以及

一静电防护电路包括：

一瞬态电压抑制器，具有一第一端与一第二端，该瞬态电压抑制器的该第一端连接于该正电源端；以及

一高压电容，耦接该瞬态电压抑制器的该第二端与一接地端之间。

13.如权利要求12所述的以太网络受电电路，其中该高压电容的电容值大于该瞬态电压抑制器的元件电容值。