基于适配器和POE两种供电电路设备的热插拔损坏问题分析

杨富红，贾朱红，徐　慧，史　磊，汪灵瑶

（1.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2.大唐移动通信设备有限公司，北京 100083）

基于适配器和POE两种供电电路设备的热插拔损坏问题分析

杨富红1，贾朱红2，徐慧1，史磊1，汪灵瑶1

（1.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2.大唐移动通信设备有限公司，北京 100083）

针对一款通信设备电源，详细分析了适配器和POE两种供电电路共存情况下，任意一种供电模式下热插拔时POE（Power Over Ethernet）管理芯片MAX5982AETE+烧毁的原因，提出了通信设备电源热插拔损坏的策略，并在相关通信电源设备中得以验证。

电源设备；POE；适配器；MAX5982AETE+

0　引言

为了便于通信设备的安装使用，通信设备的电源有两种供电模式，一种是适配器供电模式，适配器的输出电压为48V，适配器供电模式主要用近距离供电的场合，本文不过多赘述；另一种是POE供电模式，POE的供电电压为53.5V。

POE系统包括供电端设备（PSE，Power Sourcing Equipment）和受电设备（PD，Power Device）。PSE是为 Ethernet客户端设备（即PD设备）供电的设备，对整个POE以太网供电过程的进行管理。而PD设备是接受供电的PSE的负载，即POE系统的客户端设备。

本文是针对适配器供电和POE供电两种供电系统作用在通讯设备，在使用过程中出现热插拔现象，对通信设备中的管理芯片MAX5982AETE+产生电压冲击，烧毁芯片这种现象进行分析，并在实际使用的通讯电源设备中进行验证。

1　适配器供电和POE供电两种供电系统共存于通信设备电源上的问题分析

1.1两种供电模式共存于通信设备电源上的问题描述

在通信设备中，使用 PSE供电端设备时，POE以太网供电工作过程主要有五个步骤：

1）检测；

2）PD端设备分类；

3）开始供电；

4）供电；

5）断电。

通信设备电源的POE管理芯片采用MAXIN的MAX5982AETE+，MAX5982AETE+最大功率可达到100W，SMC的RRU的功耗最大20W，而SMC在使用适配器和POE供电热插拔时都会使得PD（Powered Device）芯片MAX5982AETE+损坏，MAX5982AETE+的PG引脚把电源PWM发生器MAX5974DETE+的EN引脚电平拉低，48V转12V电源没有输出，SMC设备上电失败。

1.2异常MAX5982AETE+用测量工具测试

对其进行外形分析，未发现异常的烧毁、击穿点等。

1）用万用表二极管档测量异常MAX5982AETE+芯片引脚的二极管特性，各引脚没有异常现象。

2）使用XJ4810A型半导体管特性图示仪对MAX5982AETE+芯片进行管脚的I-V曲线分析。

（1）测试MAX5982AETE+芯片所有管脚和VSS之间ESD二极管的正向I-V特性。发现MAX5982AETE+芯片的PG管脚存在异常。好的MAX5982AETE+芯片样品和失效的MAX5982AETE+芯片样品的PG脚与VSS脚之间ESD二极管的I-V曲线，分别如图1（a）和图1（b）所示。其中X轴为1V/div。从图中可以看出，失效样品的不同之处在于，电压小于0.5V时呈阻性，失效样品整体表现为电阻和二极管并联的特性。

（2）测试MAX5982AETE+芯片的PG和VSS管脚之间ESD二极管的反向I-V特性。发现失效样品的曲线呈现阻性的特征，X轴为1V/div，Y轴为0.2mA/div。而好的MAX5982AETE+芯片样品检测不到电流，表现为高阻状态。

图1　MAX5982AETE+芯片样品PG与VSS管脚间ESD二极管的正向I-V特性

（3）测试MAX5982AETE+芯片的PG管脚和其他非VSS任意管脚之间的I-V特性。发现失效MAX5982AETE+芯片样品的曲线均呈现电阻和二极管串联的特性，是由于PG和VSS之间的MOS管损坏呈阻性后，通过VSS与其他管脚之间的ESD二极管串联组合得到的曲线。X轴为1V/div，Y轴为0.2mA/div。而好的样品检测不到电流，表现为高阻状态。

（4）测试非PG管脚互相之间的I-V特性，发现失效品均与好的样品曲线几乎相同。说明失效样品的其他管脚正常。

1.3异常MAX5982AETE+的原理分析

MAX5982AETE+为PD接口控制器，用于在POE系统中用于功率分级、握手协商，内部集成一个限制浪涌电流的功率开关MOS管，如图2中红圈所示。握手成功时，该MOS管导通，VSS与RTN连通形成电流通路。

图2　MAX5982AETE+的内部MOS管

在SMC项目的RRU电路原理中，POE供电防护电路和适配器供电防护电路的原理图如图3和图4所示，VSS_1作为POE输入电源的参考地，连在MAX5982AETE+的VSS脚，VSS_2连在MAX5982AETE+的RTN脚，两脚通过MOS管连接。VSS_3与VSS_2之间有一个磁珠和共模电感，如图3所示。此外，MAX5974DETE+的参考地PGND与VSS_3通过0欧电阻连接。

图3　POE供电防护电路

图4　适配器供电防护电路

下面从实测电路波形，实际分析一下上述两种供电保护电路中问题所产生的现象。

1）POE供电防护电路的问题分析

POE供电设备通过网线连接到SMC设备，SMC设备内部给DC/DC电源供电的防护电路和PD电路如图5所示。

图5　MAX5982AETE+与MAX5974DETE+连接关系简图

PD电路握手芯片MAX5982AETE+的PG脚施能控制DC/DC电源的PWM发生芯片MAX5974DETE+的PWM输出，在POE供电时，MAX5982AETE+握手成功之前，PG引脚的电平为低电平，也就是MAX5974DETE+的施能引脚为低电平，MAX5974DETE+没有PWM脉冲输出，DC/DC电源没有输出电压，当MAX5982AETE+握手成功之后，PG引脚的电平为高电平，DC/DC电源有输出电压。MAX5974DETE+的地与VSS_3等电位。EN由VDD_1分压1提供相的电平，VDD_1的参考地为VSS_1。因此，在VSS_1与VSS_3之间的MOS管完全导通之前，由于没有电流回路，VDD_1、PG、VSS_3均处于同一电位。

测量POE上电时VDD_1和PG分别相对于VSS_1的波形，图6中分黄色为VDD_1与VSS_1之间的电压波形，蓝色为PG与VSS_1之间的电压波形。图6中的两个小方波是POE握手阶段的波形。握手之后的VDD_1和PG的电压建立之后都有较大的过冲。对红框区域放大之后的波形如图7所示。其中VDD_1达到70.4V，PG达到79.2V。而VDD_1在稳定之后正常值大约为53.5V，PG为2V。

图6　VDD_1和PG的上电波形

图7　导通时的电压过冲

VDD_1和PG上电过冲是由于上电瞬间100uH电感LA1（如图3所示）导致的，在手册中查询到PG相对于地VSS_1的最大额定值为100V，由于器件耐压指标误差及器件耐压一致性的差异，PG引脚的损坏与上电冲击电压太高可能有关系。

在去掉电感LA1和磁珠LA2之后，尖峰消除，但在MOS管导通后，PG引脚有个异常拉高，而VDD_1被拉低。经过测试，是由电解电容CA59（如图8中红圈所示）造成。具体原因是电容容量大，电容充电时拉电流比较大，因此VDD_1被拉低。

图8　DC/DC电源的部分电路

去掉该电容后，异常消失，反复上下电上百次，VDD_1和PG的上电波形没有过高的电压冲击，最大值分别为55.2V和42V。

2）适配器供电防护电路

SMC设备使用适配器供电时MAX5982AETE+有时也会损坏，发现在设备稳定后，VSS_1与VSS_3之间的电压波形是-0.6V～1.2V矩形波，频率为300kHz，刚好是MAX5974DETE+的开关频率。经逐步寻找，发现是由于共模电感LA9的充放电引起，负压导致MAX5982AETE+损坏。去掉共模电感后，VSS_1与VSS_3之间的压差为0。

在去掉电感、磁珠和电解电容的情况下，使用适配器供电，上电时VDD_1和PG相对于VSS_1的波形，非常相近，无尖峰脉冲。

2　结论

通过对POE供电防护电路和适配器防护电路共同供电的设备热插拔损坏问题的分析，电路正极的防浪涌电感的感值不能太大，否则会产生很大的泵升电压，造成电感后面的受电器件因过压损坏。而对于两种供电电路的地平面之间之间不要设计感性器件，否则会因为电感充放电造成地平面电压波动，产生的较大负压使得后面受电器件损坏。

［1］ 林亮.PoE技术的应用与优势［J］.信息通信，2015，06.

［2］ 朱勇发，王平.以太网供电技术标准综述［J］.单片机与嵌入式系统应用，2005，03.

［3］ 胡磊.以太网供电技术研究［D］.浙江大学，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

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1009-0134（2016）09-0131-04

2016-07-11

杨富宏（1981 -），男，山西长治人，学士，主要从事项目管理及设备调试工作。