如何保護以太網(wǎng)供電PoE網(wǎng)絡(luò)

設(shè)計人員經(jīng)常忽略靜電放電 （ESD） 和電源線感應(yīng)瞬變會影響未直接連接到交流電源線的電子電路。如果他們正在設(shè)計帶有通信鏈路的設(shè)備，他們需要確保數(shù)據(jù)端口電路始終可靠運行。

在任何時候，發(fā)送器都必須發(fā)送未損壞的信息，而接收器需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行解碼，并且不會增加額外的失真。設(shè)計人員需要通過開發(fā)對可能損壞通信數(shù)據(jù)端口的環(huán)境影響具有魯棒性的電路來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。諸如閃電、ESD、過電流浪涌和過電壓瞬變之類的干擾可以通過電路傳播并損壞數(shù)據(jù)端口電路。

本文討論如何保護以太網(wǎng)供電 （PoE） 網(wǎng)絡(luò)。它是關(guān)于保護數(shù)據(jù)通信端口的三部分系列中的第一部分。剩下的兩篇文章將提供保護高速和低速通信端口的建議。

PoE 是一種通信技術(shù)，包括電源以及以太網(wǎng)電纜上的數(shù)據(jù)。單根電纜為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由器、使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的安全攝像頭、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音 （VOIP） 電話、無線接入點和工業(yè)控制系統(tǒng)等設(shè)備提供電力和數(shù)據(jù)。標準 IEEE 802.3 定義了 PoE 通信協(xié)議，并且已經(jīng)發(fā)展到允許使用更高的功率。表 1 顯示了 IEEE 標準的原始修訂版和后續(xù)修訂版，以適應(yīng)更高的功率傳輸。標準 802.3bt（稱為 PoE++）的 2018 年演進允許最大功率為 90 W，數(shù)據(jù)線上的電流高達 960 mA。低功率設(shè)備可能不需要線路供電，因為 PoE++ 通道將提供所需的電源。此外，該標準允許以太網(wǎng)通信速率高達 10 Gbps、10GBASE-T。然而，引入低壓數(shù)字信號電源需要保護 PoE 電路免受電流過載、包括閃電和 ESD 在內(nèi)的電壓瞬變以及交流電源線上可能發(fā)生的其他快速瞬變等條件的影響。

表 1. IEEE 802.3 標準：實現(xiàn)更高功率傳輸?shù)难葸M

保護 PoE++ 端口

圖 1 顯示了一個示例 PoE++ 設(shè)計，包括用于電流過載保護和瞬態(tài)電壓保護的推薦保護組件。RJ45 連接器和保護網(wǎng)絡(luò)之間的電路旨在保護受電設(shè)備 （PD） 控制器和以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路。

圖 1. PoE++ 協(xié)議電路：推薦的保護元件

考慮使用保險絲來保護 8 條數(shù)據(jù)線中的每條線免受電流過載。慢熔保險絲將避免由于為開關(guān)電源供電而引起的電流浪涌造成的令人討厭的停機。保險絲可以幫助避免的另一種情況是由于錯誤接線或短路電源線造成的損壞。確保保險絲符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 Part 8 浪涌規(guī)范等標準。滿足這些要求的保險絲的工作電流額定值約為 2A 或更低。考慮一個具有高達 100 A 的分斷額定值的保險絲，這樣保險絲即使在最壞的過載情況下也可以打開并且不會蒸發(fā)。符合參考標準的保險絲在 250% 過載時可在大約一秒內(nèi)斷開。為了實現(xiàn) PC 板 （PCB） 的低成本組裝，

在隔離信號變壓器的中心抽頭上，我們建議使用接地的保護晶閘管來吸收和防止包括雷擊在內(nèi)的電壓瞬變通過信號變壓器。保護晶閘管，如 Littelfuse SIDACtors?，是具有低通態(tài)電壓的撬棒型器件，具有吸收瞬態(tài)高電流的能力。保護晶閘管的版本可以：

Crowbar 瞬態(tài)電壓低至 6 V

吸收高達 200 A 的浪涌電流

最小化電壓過沖

提供約 100 pF 的低電容

吸收任一極性瞬態(tài)

避免因多個浪涌事件而降級。

請注意，與保護晶閘管組合的保險絲滿足保護電信設(shè)備的全球監(jiān)管標準 GR 1080 和 IEC 62368-1。

保護以太網(wǎng)物理層芯片組

數(shù)據(jù)線上的 ESD 沖擊、電纜放電事件和電氣快速瞬變是可能導(dǎo)致以太網(wǎng) PHY 芯片組損壞的主要瞬變。瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管陣列可以提供必要的保護。要保護所有 8 條數(shù)據(jù)線，請使用兩個 4 通道 TVS 二極管陣列（圖 2）。使用 TVS 二極管陣列的好處包括：

針對高達 ±30 kV 沖擊的 ESD 保護

吸收高達 1000 W 脈沖功率或高達 45 A 峰值電流的瞬變

每個引腳接地僅 2.5 pF 將信號失真降至最低

0.5 μA 的低功耗

節(jié)省空間的 μDFN-10 表面貼裝封裝。

圖 2. 用于保護以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路的四通道 TVS 二極管陣列包含雙向二極管對和齊納二極管以提供更多鉗位保護

保護受電設(shè)備 （PD） 控制器

PD 控制器是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可為 PoE++ 端口提供直流電源。單獨的電路塊顯示了 AC/DC 整流器電路。整流器電路與來自 RJ45 連接器的輸入信號連接。為了保護整流器電路免受電壓瞬變的影響，請在輸入線上放置雙向 TVS 二極管。這些串聯(lián)二極管對的版本能夠吸收 200 A 的浪涌電流或高達 1500 W 的脈沖功率。TVS 二極管對瞬態(tài)的響應(yīng)時間非常快，通常不到 1 ps。此外，它們的漏電流低于 1 μA，以最大限度地降低電路功耗。

要完成 PD 控制器的保護，請在整流器的輸出端和 PD 控制器 DC/DC 電源的輸入端使用單向 TVS 二極管。TVS 二極管對瞬變提供快速響應(yīng)。根據(jù)電路設(shè)計中的半導(dǎo)體元件，選擇具有適當鉗位電壓的 TVS 二極管。

保護建筑物中的 PoE 網(wǎng)絡(luò)

建筑物內(nèi)的 PoE 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不那么惡劣；并且，PoE 網(wǎng)絡(luò)最大只能承載 15.4 V 或 350 mA。對于此電路，請考慮使用 2 通道 TVS 二極管來保護 PHY 免受有害 ESD 事件的影響。圖 3 左側(cè)的框圖詳細介紹了示例 PoE 網(wǎng)絡(luò)，并顯示了以太網(wǎng) PHY 芯片組的輸入/輸出線上的 TVS 二極管陣列。2 通道 TVS 二極管陣列示意圖如圖 4 所示。考慮使用能夠吸收高達 ±30 kV 的 ESD 沖擊和 40 A 范圍內(nèi)的電流浪涌的保護二極管陣列。 Tx 和 Rx 信號，尋找對地電容不超過 2 pF 的 TVS 二極管陣列。此外，還要尋找漏電流低的 TVS 二極管陣列，例如漏電流低于 1 μA。

圖 3. PoE 室內(nèi)和室外電路：推薦的保護元件

圖 4. 用于以太網(wǎng) PHY 電路電壓瞬態(tài)保護的兩通道 TVS 二極管陣列 IC

保護室外環(huán)境中的 PoE 網(wǎng)絡(luò)

對于電子產(chǎn)品而言，戶外環(huán)境比室內(nèi)環(huán)境惡劣得多。電源交叉導(dǎo)致過流故障的風險更高，并且雷電引起的浪涌事件的風險也更高。與 PoE++ 保護電路一樣，對于任何戶外和惡劣環(huán)境 PoE 電路，建議在每條 I/O 線路上使用延時保險絲，以防止發(fā)生電源交叉事件。（參見圖 3 右側(cè)所示的示例。）由于環(huán)境具有挑戰(zhàn)性，除了保險絲外，氣體放電管 （GDT） 還應(yīng)放置在 I/O 線路上。GDT 提供避雷針保護，防止雷擊或其他危險瞬變。GDT 具有以下屬性：

吸收和承受高達 1000 A 電流浪涌的能力

低電容，《 1 pF，與施加在組件上的電壓無關(guān)

具有表面貼裝封裝的版本。

注意：保險絲和 GDT 組合應(yīng)滿足 PoE++ 標準所述的所有監(jiān)管要求。

與其他電路一樣，TVS 二極管陣列可以保護以太網(wǎng) PHY 芯片組。在室外環(huán)境 PoE 電路的情況下，考慮更高功率的 TVS 二極管陣列。2 通道組件就是這樣一種更高功率的 TVS 二極管陣列（圖 5）。這些二極管陣列能夠吸收 3000 W 的瞬態(tài)功率或 150 A 的浪涌電流。內(nèi)部齊納二極管為組件提供瞬態(tài)保護，內(nèi)部抑制二極管為各個通道提供差分瞬態(tài)保護。

圖 5a。兩通道 TVS 二極管陣列封裝引腳 圖 圖 5. 雙通道 TVS 二極管陣列瞬態(tài)保護器

5b。功能圖

穩(wěn)健設(shè)計的價值

在通信系統(tǒng)設(shè)計中加入過載保護可防止因環(huán)境引起的過載和瞬變而損壞電子電路。增加保護元件是有成本的；然而，降低服務(wù)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量聲譽的好處遠遠超過了附加組件的低成本。在原始設(shè)計定義中包含保護要求，開發(fā)時間將受到微不足道的影響。如果由于認證或合規(guī)性測試失敗而無需返工，甚至可以減少開發(fā)時間。此外，為了節(jié)省開發(fā)時間，請利用制造商的專業(yè)知識來幫助設(shè)計和選擇保護組件。制造商可以提供具有成本效益并提供最低擁有成本的解決方案。一些制造商可以提供有關(guān)標準合規(guī)性的指導(dǎo)；并且，一些制造商可以執(zhí)行預(yù)合規(guī)性測試，以促進產(chǎn)品獲得標準機構(gòu)的批準，而無需進行多輪測試。具有高質(zhì)量聲譽的產(chǎn)品可以維持更高水平的盈利能力并增加收入。

審核編輯：郭婷