基于適配器和POE兩種供電電路設(shè)備的熱插拔損壞問題分析

楊富紅，賈朱紅，徐　慧，史　磊，汪靈瑤

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.大唐移動通信設(shè)備有限公司，北京 100083）

基于適配器和POE兩種供電電路設(shè)備的熱插拔損壞問題分析

楊富紅1，賈朱紅2，徐慧1，史磊1，汪靈瑤1

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.大唐移動通信設(shè)備有限公司，北京 100083）

針對一款通信設(shè)備電源，詳細(xì)分析了適配器和POE兩種供電電路共存情況下，任意一種供電模式下熱插拔時POE（Power Over Ethernet）管理芯片MAX5982AETE+燒毀的原因，提出了通信設(shè)備電源熱插拔損壞的策略，并在相關(guān)通信電源設(shè)備中得以驗證。

電源設(shè)備；POE；適配器；MAX5982AETE+

0　引言

為了便于通信設(shè)備的安裝使用，通信設(shè)備的電源有兩種供電模式，一種是適配器供電模式，適配器的輸出電壓為48V，適配器供電模式主要用近距離供電的場合，本文不過多贅述；另一種是POE供電模式，POE的供電電壓為53.5V。

POE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備（PSE，Power Sourcing Equipment）和受電設(shè)備（PD，Power Device）。PSE是為 Ethernet客戶端設(shè)備（即PD設(shè)備）供電的設(shè)備，對整個POE以太網(wǎng)供電過程的進行管理。而PD設(shè)備是接受供電的PSE的負(fù)載，即POE系統(tǒng)的客戶端設(shè)備。

本文是針對適配器供電和POE供電兩種供電系統(tǒng)作用在通訊設(shè)備，在使用過程中出現(xiàn)熱插拔現(xiàn)象，對通信設(shè)備中的管理芯片MAX5982AETE+產(chǎn)生電壓沖擊，燒毀芯片這種現(xiàn)象進行分析，并在實際使用的通訊電源設(shè)備中進行驗證。

1　適配器供電和POE供電兩種供電系統(tǒng)共存于通信設(shè)備電源上的問題分析

1.1兩種供電模式共存于通信設(shè)備電源上的問題描述

在通信設(shè)備中，使用 PSE供電端設(shè)備時，POE以太網(wǎng)供電工作過程主要有五個步驟：

1）檢測；

2）PD端設(shè)備分類；

3）開始供電；

4）供電；

5）斷電。

通信設(shè)備電源的POE管理芯片采用MAXIN的MAX5982AETE+，MAX5982AETE+最大功率可達到100W，SMC的RRU的功耗最大20W，而SMC在使用適配器和POE供電熱插拔時都會使得PD（Powered Device）芯片MAX5982AETE+損壞，MAX5982AETE+的PG引腳把電源PWM發(fā)生器MAX5974DETE+的EN引腳電平拉低，48V轉(zhuǎn)12V電源沒有輸出，SMC設(shè)備上電失敗。

1.2異常MAX5982AETE+用測量工具測試

對其進行外形分析，未發(fā)現(xiàn)異常的燒毀、擊穿點等。

1）用萬用表二極管檔測量異常MAX5982AETE+芯片引腳的二極管特性，各引腳沒有異常現(xiàn)象。

2）使用XJ4810A型半導(dǎo)體管特性圖示儀對MAX5982AETE+芯片進行管腳的I-V曲線分析。

（1）測試MAX5982AETE+芯片所有管腳和VSS之間ESD二極管的正向I-V特性。發(fā)現(xiàn)MAX5982AETE+芯片的PG管腳存在異常。好的MAX5982AETE+芯片樣品和失效的MAX5982AETE+芯片樣品的PG腳與VSS腳之間ESD二極管的I-V曲線，分別如圖1（a）和圖1（b）所示。其中X軸為1V/div。從圖中可以看出，失效樣品的不同之處在于，電壓小于0.5V時呈阻性，失效樣品整體表現(xiàn)為電阻和二極管并聯(lián)的特性。

（2）測試MAX5982AETE+芯片的PG和VSS管腳之間ESD二極管的反向I-V特性。發(fā)現(xiàn)失效樣品的曲線呈現(xiàn)阻性的特征，X軸為1V/div，Y軸為0.2mA/div。而好的MAX5982AETE+芯片樣品檢測不到電流，表現(xiàn)為高阻狀態(tài)。

圖1　MAX5982AETE+芯片樣品PG與VSS管腳間ESD二極管的正向I-V特性

（3）測試MAX5982AETE+芯片的PG管腳和其他非VSS任意管腳之間的I-V特性。發(fā)現(xiàn)失效MAX5982AETE+芯片樣品的曲線均呈現(xiàn)電阻和二極管串聯(lián)的特性，是由于PG和VSS之間的MOS管損壞呈阻性后，通過VSS與其他管腳之間的ESD二極管串聯(lián)組合得到的曲線。X軸為1V/div，Y軸為0.2mA/div。而好的樣品檢測不到電流，表現(xiàn)為高阻狀態(tài)。

（4）測試非PG管腳互相之間的I-V特性，發(fā)現(xiàn)失效品均與好的樣品曲線幾乎相同。說明失效樣品的其他管腳正常。

1.3異常MAX5982AETE+的原理分析

MAX5982AETE+為PD接口控制器，用于在POE系統(tǒng)中用于功率分級、握手協(xié)商，內(nèi)部集成一個限制浪涌電流的功率開關(guān)MOS管，如圖2中紅圈所示。握手成功時，該MOS管導(dǎo)通，VSS與RTN連通形成電流通路。

圖2　MAX5982AETE+的內(nèi)部MOS管

在SMC項目的RRU電路原理中，POE供電防護電路和適配器供電防護電路的原理圖如圖3和圖4所示，VSS_1作為POE輸入電源的參考地，連在MAX5982AETE+的VSS腳，VSS_2連在MAX5982AETE+的RTN腳，兩腳通過MOS管連接。VSS_3與VSS_2之間有一個磁珠和共模電感，如圖3所示。此外，MAX5974DETE+的參考地PGND與VSS_3通過0歐電阻連接。

圖3　POE供電防護電路

圖4　適配器供電防護電路

下面從實測電路波形，實際分析一下上述兩種供電保護電路中問題所產(chǎn)生的現(xiàn)象。

1）POE供電防護電路的問題分析

POE供電設(shè)備通過網(wǎng)線連接到SMC設(shè)備，SMC設(shè)備內(nèi)部給DC/DC電源供電的防護電路和PD電路如圖5所示。

圖5　MAX5982AETE+與MAX5974DETE+連接關(guān)系簡圖

PD電路握手芯片MAX5982AETE+的PG腳施能控制DC/DC電源的PWM發(fā)生芯片MAX5974DETE+的PWM輸出，在POE供電時，MAX5982AETE+握手成功之前，PG引腳的電平為低電平，也就是MAX5974DETE+的施能引腳為低電平，MAX5974DETE+沒有PWM脈沖輸出，DC/DC電源沒有輸出電壓，當(dāng)MAX5982AETE+握手成功之后，PG引腳的電平為高電平，DC/DC電源有輸出電壓。MAX5974DETE+的地與VSS_3等電位。EN由VDD_1分壓1提供相的電平，VDD_1的參考地為VSS_1。因此，在VSS_1與VSS_3之間的MOS管完全導(dǎo)通之前，由于沒有電流回路，VDD_1、PG、VSS_3均處于同一電位。

測量POE上電時VDD_1和PG分別相對于VSS_1的波形，圖6中分黃色為VDD_1與VSS_1之間的電壓波形，藍(lán)色為PG與VSS_1之間的電壓波形。圖6中的兩個小方波是POE握手階段的波形。握手之后的VDD_1和PG的電壓建立之后都有較大的過沖。對紅框區(qū)域放大之后的波形如圖7所示。其中VDD_1達到70.4V，PG達到79.2V。而VDD_1在穩(wěn)定之后正常值大約為53.5V，PG為2V。

圖6　VDD_1和PG的上電波形

圖7　導(dǎo)通時的電壓過沖

VDD_1和PG上電過沖是由于上電瞬間100uH電感LA1（如圖3所示）導(dǎo)致的，在手冊中查詢到PG相對于地VSS_1的最大額定值為100V，由于器件耐壓指標(biāo)誤差及器件耐壓一致性的差異，PG引腳的損壞與上電沖擊電壓太高可能有關(guān)系。

在去掉電感LA1和磁珠LA2之后，尖峰消除，但在MOS管導(dǎo)通后，PG引腳有個異常拉高，而VDD_1被拉低。經(jīng)過測試，是由電解電容CA59（如圖8中紅圈所示）造成。具體原因是電容容量大，電容充電時拉電流比較大，因此VDD_1被拉低。

圖8　DC/DC電源的部分電路

去掉該電容后，異常消失，反復(fù)上下電上百次，VDD_1和PG的上電波形沒有過高的電壓沖擊，最大值分別為55.2V和42V。

2）適配器供電防護電路

SMC設(shè)備使用適配器供電時MAX5982AETE+有時也會損壞，發(fā)現(xiàn)在設(shè)備穩(wěn)定后，VSS_1與VSS_3之間的電壓波形是-0.6V～1.2V矩形波，頻率為300kHz，剛好是MAX5974DETE+的開關(guān)頻率。經(jīng)逐步尋找，發(fā)現(xiàn)是由于共模電感LA9的充放電引起，負(fù)壓導(dǎo)致MAX5982AETE+損壞。去掉共模電感后，VSS_1與VSS_3之間的壓差為0。

在去掉電感、磁珠和電解電容的情況下，使用適配器供電，上電時VDD_1和PG相對于VSS_1的波形，非常相近，無尖峰脈沖。

2　結(jié)論

通過對POE供電防護電路和適配器防護電路共同供電的設(shè)備熱插拔損壞問題的分析，電路正極的防浪涌電感的感值不能太大，否則會產(chǎn)生很大的泵升電壓，造成電感后面的受電器件因過壓損壞。而對于兩種供電電路的地平面之間之間不要設(shè)計感性器件，否則會因為電感充放電造成地平面電壓波動，產(chǎn)生的較大負(fù)壓使得后面受電器件損壞。

［1］ 林亮.PoE技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)勢［J］.信息通信，2015，06.

［2］ 朱勇發(fā)，王平.以太網(wǎng)供電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)綜述［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005，03.

［3］ 胡磊.以太網(wǎng)供電技術(shù)研究［D］.浙江大學(xué)，2007.

Analysis of hot plug damage foradapter-based and POE-based power supply circuit

YANG Fu-hong1，JIA Zhu-hong2，XU Hui1，SHI Lei1，WANG Ling-yao1

TN91

B

1009-0134（2016）09-0131-04

2016-07-11

楊富宏（1981 -），男，山西長治人，學(xué)士，主要從事項目管理及設(shè)備調(diào)試工作。