TWI439077B - 乙太網路受電電路與其靜電防護電路 - Google Patents

Description

乙太網路受電電路與其靜電防護電路

本發明是有關於一種靜電防護電路，且特別是有關於一種應用乙太網路供電(Power over Ethernet,PoE)系統的受電設備(Powered Device,PD)中的靜電防護電路。

乙太網路供電(PoE)技術是指透過乙太網路的纜線傳輸資料與與電力到裝置的技術，其系統主要分為供電設備(Power Sourcing Equipment,PSE)與受電設備(PD)。受電設備例如是無線基地台、網路電話、集線器、網路攝影機與電腦等，這些裝置可以透過乙太網路雙絞線(RJ-45連接器)供電，不需要額外設置電源插座就可使用。

採用乙太網路供電技術的設備可經由RJ-45網路插座來傳遞電力與資料，由於RJ-45網路插座是目前全球普遍使用的網路接頭，因此幾乎所有的乙太網路供電設備對目前的網路環境都具有相容性。由於PoE不需要更改乙太網路的纜線架構即可運作，所以採用PoE系統不但可以節省配置電源線的時間與費用，還具備了遠程通電、斷電的能力。

近年來隨著高精密度且快速發展的電子產品的增加，對於靜電放電(ElectroStatic Discharge,ESD)防護的技術越來越受到重視。由於PoE系統經常受到靜電放電威脅，在設計時必須考慮保護乙太網路實體層收發器(physical layer receiver)能夠承受電壓衝擊。一般而言，PoE晶片內部所設置的ESD防護電路無法提供系統級靜電放電防護所需的強韌度，而且建置有效的晶片防護成本也過高。為了滿足全球標準的相容性要求，並確保系統的可靠性，目前乙太網路供電系統的設計業者大都採取晶片外部電路保護。目前常見的方式是採用一個速度很快的蕭特基二極體(schottky diode)，將電流引到接地，避免對系統產生破壞或因為ESD的放電波形而產生錯誤的動作。

本發明提出一種乙太網路受電電路與其靜電防護電路，其靜電防護電路由串聯的瞬態電壓抑制器與高壓電容，可以達到有效降低靜電放電或瞬時電壓浪湧(transient voltage surge)對乙太網路電子設備造成的誤動作或損害。

本發明提出一種乙太網路受電電路的靜電防護電路，乙太網路受電電路係設置於一受電設備中，乙太網路供電電路具有一控制單元，其具有一正電源端與一負電源端。靜電防護電路包括瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor,TVS)與高壓電容(high-voltage capacitor)。瞬態電壓抑制器具有一第一端與一第二端，其第一端耦接於負電源端。高壓電容則耦接瞬態電壓抑制器的第二端與接地端之間。

在本發明另一實施例中，上述靜電防護電路亦可應用在正電源端，以降低靜電放電發生在正電源時所造成的損害。另外，依照電路設計需求，上述靜電防護電路也可以同時應用在正電源端與負電源端，以降低靜電放電發生在正電源與負電源端時所造成的損害。

從另一個角度來看，本發明提出一種具有上述靜電防護電路的乙太網路受電電路，其負電源端與正電源端可以分別或同時設置靜電防護電路，以降低靜電放電發生時的損害。

綜上所述，本發明以串聯的瞬態電壓抑制器與高壓電容做為靜電防護電路使用，可以有效降低靜電放電發生時所造成的系統誤動作與損害。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在下文中，將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明，而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。

(第一實施例)

請參照圖1，其繪示本發明第一實施例的乙太網路供電(Power over Ethernet,PoE)系統的示意圖。供電設備(Power sourcing equipment,PSE)110可以經由乙太網路傳輸電力與資料至受電設備(Powered Device,PD)120，其兩者可利用RJ-45連接器與雙絞線(網路線)連接。PoE分為A、B兩種供電模式，模式A利用RJ-45連接器的1、2、3、6接腳來傳遞電力；模式B則利用RJ-45連接器的4、5、7、8接腳來傳遞電力。

供電設備110具有乙太網路供電電路(PoE PSE circuit)112與網路變壓器114，用以將電力與資料傳遞至RJ-45連接器116。受電設備120包括乙太網路受電電路(PoE PD circuit)122，可以經由RJ-45連接器126接收資料與電力，並將所接收的電力轉換為系統所需的(直流)輸出電壓VOUT，以提供受電設備120使用。RJ-45連接器116與RJ-45連接器126之間則可藉由網路線連接。採用PoE系統不但可節省佈線，還具備了遠程通電、斷電的能力。

依據IEEE 802.3af的規範，當受電設備120連接至供電設備110時，供電設備110會依序傳遞數個程序的電壓波形至受電設備120，以偵測受電設備120是否支援乙太網路供電，如圖2所示，其繪示PoE操作模式的起始訊號示意圖。上述程序包括偵測(Discovery)、分類(Classification)、全電源(Full Power Application)、移除電源(Power Removal)等。由於供電設備110所提供的高電壓會對傳統的設備造成傷害，因此供電設備110在供電前會進行Discovery程序，傳送電壓範圍2.7V至10V的偵測電壓至受電設備120，以偵測受電設備120是否支援PoE技術。其他程序的說明請參照IEEE 802.3af的規範，在此不加贅述。

如圖2所示，由於靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD)波形可能與圖2中的偵測波形相似，這可能造成供電設備或受電設備120的誤動作或是損害受電設備120。為避免此種問題發生，本實施例在受電設備120中設置靜電放電防護電路，來防止受電設備120受到瞬態電壓(如靜電放電、線纜放電或瞬態電壓浪湧(transient voltage surge))的損害。

請參照圖3，其繪示本發明第一實施例的乙太網路受電電路的靜電防護電路示意圖。乙太網路受電電路122包括靜電防護電路310、控制單元320與直流電壓轉換電路330。控制單元320具有正電源端+POE與負電源端-POE，分別用來接收正、負POE電源，如RJ-45連接器126的第4、5接腳所傳遞的正電壓與RJ-45連接器126的第7、8接腳所傳遞的負電壓，但本實施例不受限於此。直流電壓轉換電路330接收正電源端+POE與負電源端-POE所傳遞的正、負電壓，並且耦接於控制單元320，以接收控制單元320所輸出的脈波寬度調變信號PWM。直流電壓轉換電路330會根據脈波寬度調變信號PWM的有效週期(duty cycle)調整輸出電壓VOUT的大小。

靜電防護電路310耦接控制單元320的負電源端-POE，用以避免靜電放電損害到控制單元320，其包括瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor,TVS)312與電容314。電容314的電容314會高於瞬態電壓抑制器312的等效電容值(內部的寄生電容)，電容314的電容值例如大於1000皮法(picofarad,pF)。瞬態電壓抑制器312的第一端耦接於負電源端-POE，第二端耦接於電容314。瞬態電壓抑制器312與電容314串聯耦接於負電源端-POE與接地端GND之間。在本實施例中，瞬態電壓抑制器312與電容314係直接耦接於負電源端-POE與接地端GND之間，但本實施例不限制於此。

瞬態電壓抑制器312是可以對瞬態電壓產生反應的元件。當靜電放電或瞬時電壓浪湧發生時，瞬態電壓抑制器312會因為瞬間的高電壓而導通，以將瞬間的大電流引導至接地，避免電流進入控制單元320而造成損壞。一般所知的瞬態電壓抑制器312例如是齊納二級體(zener diode)、瞬態電壓抑制二極體(TVS diode)、金屬氧化物(Metal Oxide Varistor,MOV)、多層金屬氧化物結構元件(Multi-Layer Varistor,MLV)或多層陶瓷薄膜(Ceramic Layer)結構等，但本實施例不限制於此。瞬態電壓抑制器312的電壓-電流特性如圖4所示，其繪示瞬態電壓抑制器312的電壓-電流特性示意圖。

由圖4可知，當瞬態電壓抑制器312的兩端的電壓超過門檻值時，瞬態電壓抑制器312的電阻會大幅度的降低(例如由10⁹ 歐姆降至數歐姆)，以誘導電流由瞬態電壓抑制器312通過，而不流入系統中。也就是說，瞬態電壓抑制器312會隨著瞬間發生的高電壓(如ESD放電)而產生短路現象，藉此讓系統得到保護。

復參照圖3，在本實施例中，瞬態電壓抑制器312並未直接耦接於接地端GND，而是透過電容314，其中電容314為高壓電容，可以忍受ESD或瞬態電壓浪湧所產生的高電壓。電容314直接耦接於瞬態電壓抑制器312與接地端GND之間，具有濾波與穩壓(等電位)的功能。瞬態電壓抑制器312則是為了不讓起始訊號(如圖2所示)因為串接電容而使訊號劣化，藉此使ESD在第一時間釋放到接地，而避免損害內部電子元件。

請參照圖5，其繪示本發明第一實施例的乙太網路受電電路的電路細節示意圖。乙太網路受電電路500係利用POE受電晶片522與周邊電路實現控制單元520，其中POE受電晶片522例如為國家半導體(National Semiconductor)所出產的LM5072，但本實施例不限制控制單元520的實施方式。POE受電晶片522的正電源端+POE與負電源端-POE分別用以正、負POE電源。直流電壓轉換電路530的電路結構例如為反馳式轉換電路，會依據POE受電晶片522所輸出的脈波寬度調變信號PWM調整輸出電壓VOUT。直流電壓轉換電路530可以依據設計需求調整電路架構，以達到多電壓輸出或更好的轉換效率，本實施例不限制於此。

靜電放電防護電路310耦接於負電源端-POE與接地端GND之間，可以防止靜電放電或瞬態電壓浪湧影響到POE受電晶片522的正常操作與模式判斷。圖5與圖3主要差異在於電路實施細節，除了靜電放電防護電路310以外的實施細節可參照所使用的PoE晶片說明書，在此不加贅述。

(第二實施例)

上述圖3中的靜電放電防護電路310可以應用在正電源端+POE，以防止在正電源端+POE所發生靜電放電或瞬態電壓浪湧損傷控制單元320。請參照圖6，其繪示本發明第二實施例的乙太網路受電電路示意圖。乙太網路受電電路600包括靜電放電防護電路610、控制單元320與直流電壓轉換電路330。靜電放電防護電路610由串聯的瞬態電壓抑制器612與電容614構成，其直接耦接於正電源端+POE與接地端GND之間。電容614例如為高壓電容。靜電放電防護電路610可以將瞬間的過激電流引導至接地端GND，以有效降低靜電放電或瞬態電壓浪湧在正電源端+POE處發生時所造成的損傷或者晶片的誤動作。

(第三實施例)

上述圖3中的靜電放電防護電路310可以同時應用在正電源端+POE與負電源端-POE，以同時防止在正電源端+POE所發生靜電放電或瞬態電壓浪湧損傷控制單元320。請參照圖7，其繪示本發明第三實施例的乙太網路受電電路示意圖。乙太網路受電電路700包括靜電放電防護電路710、控制單元320與直流電壓轉換電路330。

靜電放電防護電路710包括瞬態電壓抑制器712、716與電容714、718，其電容714、718例如為高壓電容。瞬態電壓抑制器712與電容714串聯耦接於正電源端+POE與接地端GND之間，而瞬態電壓抑制器716與電容718串聯耦接於負電源端-POE與接地端GND之間。藉此，靜電放電防護電路310可以有效降低靜電放電或瞬態電壓浪湧在正電源端+POE或負電源端-POE處發生時所造成的晶片損傷或誤動作。

上述實施例中的靜電放電防護電路310、610、710可以有效防止靜電放電時所產生的電壓放電波型進入控制單元320中而造成誤動作或者元件損傷。使用者可以依照設計需求與成本，將上述實施例中的靜電放電防護電路310、610、710應用在PoE電子設備中(例如路由器、掃描器、桌上型電腦與帶有電源的信號線)，以達到靜電放電防護的功效。值得注意的是，本實施例不限制應用靜電放電防護電路310、610、710的乙太網路受電電路架構。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其他實施方式，在此不加贅述。

另外，上述乙太網路受電電路300、600、700可以利用模組、晶片或者離散元件(discrete elements)等方式實現，其形式可為獨立的模組或者整合於系統主機板上，本發明不受限制。

此外，值得注意的是，上述元件之間的耦接關係包括直接或間接的電性連接，只要可以達到所需的電信號傳遞功能即可，本發明並不受限。上述實施例中的技術手段可以合併或單獨使用，其元件可依照其功能與設計需求增加、去除、調整或替換，本發明並不受限。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。

綜上所述，本發明的靜電放電防護電路可以應用在乙太網路受電電路上，以避免靜電放電或瞬態電壓發生時，造成系統誤動作或損傷。此外，本發明的靜電放電防護電路的結構精簡，利用簡易的佈局(layout)方式即可達到抑制與防護ESD的功效，並且可以快速的整合至任一PoE電子設備上，進而降低實施成本與電路空間，相當具有產業利用性。藉由本發明的技術手段，可以大幅提高訊號品質的穩定及靈敏度。

雖然本發明之較佳實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。

110．．．供電設備

112．．．乙太網路供電電路

114．．．網路變壓器

116．．．RJ-45連接器

120．．．受電設備

122．．．乙太網路受電電路

126．．．RJ-45連接器

VOUT．．．輸出電壓

310．．．靜電防護電路

312．．．瞬態電壓抑制器

314．．．電容

320．．．控制單元

330．．．直流電壓轉換電路

+POE．．．正電源端

-POE．．．負電源端

PWM．．．脈波寬度調變信號

GND．．．接地端

500．．．乙太網路受電電路

520．．．控制單元

522．．．POE受電晶片

530．．．直流電壓轉換電路

600．．．乙太網路受電電路

610．．．靜電放電防護電路

612．．．瞬態電壓抑制器

614．．．電容

700．．．乙太網路受電電路

710．．．靜電放電防護電路

712、716．．．瞬態電壓抑制器

714、718．．．電容

圖1繪示本發明第一實施例的乙太網路供電(Power over Ethernet,PoE)系統的示意圖。

圖2繪示PoE操作模式的PoE操作模式的起始訊號示意圖。

圖3繪示本發明第一實施例的乙太網路受電電路的靜電防護電路示意圖。

圖4繪示瞬態電壓抑制器312的電壓-電流特性示意圖。

圖5繪示本發明第一實施例的乙太網路受電電路的電路細節示意圖。

圖6繪示本發明第二實施例的乙太網路受電電路示意圖。

圖7繪示本發明第三實施例的乙太網路受電電路示意圖。

122．．．乙太網路受電電路

310．．．靜電防護電路

312．．．瞬態電壓抑制器

314．．．電容

320．．．控制單元

330．．．直流電壓轉換電路

+POE．．．正電源端

-POE．．．負電源端

PWM．．．脈波寬度調變信號

GND．．．接地端

Claims (13)

1. 一種乙太網路受電電路的靜電防護電路，該乙太網路受電電路係設置於一受電設備中，該乙太網路供電電路具有一控制單元，該控制單元具有一正電源端與一負電源端，該靜電防護電路包括：一第一瞬態電壓抑制器，具有一第一端與一第二端，該第一瞬態電壓抑制器的該第一端耦接於該負電源端；以及一第一高壓電容，耦接該第一瞬態電壓抑制器的該第二端與一接地端之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之乙太網路受電電路的靜電防護電路，其中該乙太網路供電電路更包括一直流電壓轉換電路，耦接於該控制單元，根據該控制單元所輸出的一脈波寬度調變信號調整一輸出電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之乙太網路受電電路的靜電防護電路，其中該第一高壓電容的電容值大於該第一瞬態電壓抑制器的元件電容值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之乙太網路受電電路的靜電防護電路，其中該控制單元的該正電源端係用以接收48V的直流電壓，該負電源端係用以接收-48V的直流電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之乙太網路受電電路的靜電防護電路，其中該第一瞬態電壓抑制器與該第一高壓電容係直接串聯耦接於該負電源端與該接地端之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之乙太網路受電電路的靜電防護電路，更包括：一第二瞬態電壓抑制器，具有一第一端與一第二端，該第二瞬態電壓抑制器的該第一端耦接於該正電源端；以及一第二高壓電容，耦接該第二瞬態電壓抑制器的該第二端與一接地端之間。
7. 一種乙太網路受電電路的靜電防護電路，適用於一受電設備，該乙太網路供電電路具有一控制單元，該控制單元具有一正電源端與一負電源端，該靜電防護電路包括：一瞬態電壓抑制器，具有一第一端與一第二端，該瞬態電壓抑制器的該第一端耦接於該正電源端；以及一高壓電容，耦接該瞬態電壓抑制器的該第二端與一接地端之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之乙太網路受電電路的靜電防護電路，其中該高壓電容的電容值大於該瞬態電壓抑制器的元件電容值。
9. 一種乙太網路受電電路，適用於一受電設備，包括：一控制單元，具有一正電源端與一負電源端；一直流電壓轉換電路，耦接於該控制單元，根據該控制單元所輸出的一脈波寬度調變信號調整一輸出電壓；以及一靜電防護電路包括：一第一瞬態電壓抑制器，具有一第一端與一第二端，該第一瞬態電壓抑制器的該第一端耦接於該負電源端；以及一第一高壓電容，耦接該第一瞬態電壓抑制器的該第二端與一接地端之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之乙太網路受電電路，其中該第一高壓電容的電容值大於該第一瞬態電壓抑制器的元件電容值。
11. 如申請專利範圍第9項所述之乙太網路受電電路，其中該靜電防護電路更包括：一第二瞬態電壓抑制器，具有一第一端與一第二端，該第二瞬態電壓抑制器的該第一端耦接於該正電源端；以及一第二高壓電容，耦接該第二瞬態電壓抑制器的該第二端與一接地端之間。
12. 一種乙太網路受電電路，適用於一受電設備，包括：一控制單元，具有一正電源端與一負電源端；一直流電壓轉換電路，耦接於該控制單元，根據該控制單元所輸出的一脈波寬度調變信號調整一輸出電壓；以及一靜電防護電路包括：一瞬態電壓抑制器，具有一第一端與一第二端，該瞬態電壓抑制器的該第一端耦接於該正電源端；以及一高壓電容，耦接該瞬態電壓抑制器的該第二端與一接地端之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之乙太網路受電電路，其中該高壓電容的電容值大於該瞬態電壓抑制器的元件電容值。