保護以太網(wǎng)供電 （PoE / PoE++） 通信

本文是“保護您的端口！ 保持通信連接的頂級設(shè)計技巧“系列來自 Littelfuse。

在信息通道上的數(shù)據(jù)端口之間發(fā)送和接收信息是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計的主要目標(biāo)。 此外，通信系統(tǒng)需要可靠，以便它們能夠始終正常運行，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會丟失或中斷。 為了開發(fā)魯棒可靠的通信系統(tǒng)，設(shè)計人員需要考慮外部環(huán)境對其數(shù)據(jù)端口的影響。 雷電、靜電放電 （ESD）、過電流浪涌和過電壓瞬變等干擾會損壞通信集成電路 （IC）。

設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是在不影響電路性能、保持設(shè)計尺寸要求和控制成本的情況下，將針對這些干擾的保護融入他們的設(shè)計中。 本文是三篇系列文章中的第一篇，將通過為數(shù)據(jù)端口設(shè)計提供保護方案來幫助電子設(shè)計工程師克服這些挑戰(zhàn)。

本系列的第 1 部分將介紹以太網(wǎng)供電 (PoE) 的保護建議。 第二和第三部分將介紹保護高速和低速接口。

PoE 是一種在以太網(wǎng)電纜上傳輸電力和數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。 單根電纜可為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音 (VOIP) 電話、使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的安全攝像頭、無線接入點、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由器和工業(yè)控制系統(tǒng)等設(shè)備提供電力和數(shù)據(jù)。 PoE 的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)是 802.3，自 2003 年以來一直在發(fā)展，以支持使用更高的功率。

表 1 顯示了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.3 的原始版本和后續(xù)版本，以適應(yīng)更高功率的傳輸。

表 1. IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的演變以實現(xiàn)更高功率的傳輸

該標(biāo)準(zhǔn)的2018年演變，802.3bt，通常稱為PoE ++，允許數(shù)據(jù)線上的最大功率為90 W和高達960 mA的電流。 此外，該標(biāo)準(zhǔn)允許以太網(wǎng)傳輸速率可以達到10 Gbps，10GBASE-T。 但是，將電源與低壓數(shù)字信號包括在內(nèi)，需要保護PoE電路免受電流過載和電壓瞬變的影響，例如雷電，ESD和其他在交流電源線上傳播的快速瞬變。

保護 PoE++ 端口

圖 1 展示了一個 PoE++ 設(shè)計示例，包括推薦的電流過載保護和瞬態(tài)電壓保護保護組件。 RJ45 連接器和保護網(wǎng)絡(luò)之間的電路旨在保護以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路和用電設(shè)備 （PD） 控制器。

**圖1. ** 推薦用于 PoE++ 協(xié)議電路的保護組件

建議使用保險絲來保護八條數(shù)據(jù)線中的每一條免受電流過載的影響。 考慮使用慢熔斷保險絲，以避免由于開關(guān)電源或雷電浪涌而導(dǎo)致的電流浪涌導(dǎo)致令人討厭的關(guān)斷。 保險絲可以幫助避免的另一個情況是由于接線不正確或電源線短路而導(dǎo)致的損壞。 確保您選擇的保險絲符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 第 8 部分浪涌規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)。 滿足這些要求的保險絲的工作電流額定值約為 2A 或更低。

尋找分斷額定值高達 100 A 的保險絲，以便即使在最壞情況下過載條件下保險絲也能打開且不會蒸發(fā)。 符合參考標(biāo)準(zhǔn)的保險絲可以在大約一秒鐘內(nèi)斷開，達到 250% 的過載。 為了實現(xiàn)PCB的高效組裝，請選擇適合回流焊接的表面貼裝版本。

在隔離信號變壓器的中心抽頭上，使用接地的保護晶閘管來吸收和防止電壓瞬變（包括雷擊）通過信號變壓器。 保護晶閘管，如 Littelfuse SIDACtor，?是撬棍型器件，具有低導(dǎo)通狀態(tài)電壓和吸收瞬態(tài)高電流的能力。

保護晶閘管的版本可以：

• 撬棍瞬態(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
• 具有約 100 pF 的低電容
• 吸收任一極性瞬態(tài)
• 避免因多次浪涌事件而降級。

保險絲與保護晶閘管相結(jié)合，符合全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn) GR 1080 和 IEC 62368-1，用于保護電信設(shè)備。

保護以太網(wǎng)物理層芯片組

對于以太網(wǎng) PHY 芯片組，可能導(dǎo)致?lián)p壞的主要瞬變是 ESD 沖擊、電纜放電事件和數(shù)據(jù)線上的電氣快速瞬變。 瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管陣列可以提供必要的保護。 為了保護所有八條數(shù)據(jù)線，請使用兩個4通道TVS二極管陣列，如圖2所示。

圖2. 四通道TVS二極管陣列IC，用于保護具有雙向二極管對的以太網(wǎng)物理層（PHY）電路，以及用于額外箝位保護的齊納二極管

使用 TVS 二極管陣列的好處包括：

• ESD 保護，沖擊高達 ±30 kV
• 吸收高達 1000 W 脈沖功率或高達 45 A 峰值電流的瞬變
• 最小化信號失真，每個引腳接地僅 2.5 pF
• 低功耗，0.5 μA
• 節(jié)省空間的μDFN-10表面貼裝封裝。

保護用電設(shè)備 （PD） 控制器

PD 控制器是一種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可提供直流電源為設(shè)備供電。 AC/DC 整流器電路顯示在單獨的電路塊中。 整流器電路直接與來自 RJ45 連接器的輸入信號接口。 為了保護整流電路免受電壓瞬變的影響，建議在輸入線路上使用雙向TVS二極管。 這些串聯(lián)二極管對的版本能夠吸收高達 1500 W 的脈沖功率或 200 A 的浪涌電流。 TVS 二極管對瞬變的響應(yīng)非?？?，響應(yīng)時間小于 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。

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二極管完成對PD控制器的保護。 您需要根據(jù)電路設(shè)計選擇合適的鉗位電壓。 該組件將提供對瞬態(tài)的快速響應(yīng)。

保護建筑物中的 PoE 網(wǎng)絡(luò)

建筑物內(nèi)的PoE網(wǎng)絡(luò)是一個不太惡劣的環(huán)境; 而且，PoE 網(wǎng)絡(luò)最多只能承載 15.4 W 或 350 mA。 在這里，建議使用2通道TVS二極管陣列保護PHY免受有害ESD事件的影響。

圖 3（左側(cè)框圖）詳細介紹了一個示例 PoE 網(wǎng)絡(luò)，并顯示了以太網(wǎng) PHY 芯片組輸入/輸出線路上的 TVS 二極管陣列。

***圖3. *用于保護 PoE 室內(nèi)和室外電路的推薦組件

圖4顯示了2通道TVS二極管陣列的原理圖。 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。

***圖4. *雙通道TVS二極管陣列IC，用于以太網(wǎng)PHY電路的電壓瞬態(tài)保護

為了最大限度地減少Tx和Rx信號的信號失真，請尋找對地電容不超過2 pF的封裝。 此外，尋找漏電流低（例如小于1 μA）的TVS二極管陣列。

在室外環(huán)境中保護 PoE 網(wǎng)絡(luò)

室外對電子產(chǎn)品來說是一個比室內(nèi)更惡劣的環(huán)境。 電源交叉導(dǎo)致過流故障的風(fēng)險更高，雷電引起的浪涌事件的風(fēng)險也更高。 與 PoE++ 保護電路一樣，對于任何室外和惡劣環(huán)境的 PoE 電路，建議在每條 I/O 線路上使用延時保險絲，以防止電源交叉事件。 圖 3 右側(cè)顯示了一個示例。 對于這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，除了保險絲外，還應(yīng)在 I/O 線路上放置氣體放電管。 氣體放電管提供撬棍保護，防止雷擊或其他危險瞬變。 氣體放電管具有以下特性：

• 吸收和承受高達 1000 A 的電流浪涌的能力
• 低電容，< 1 pF，與元件兩端施加的電壓無關(guān)
• 具有表面貼裝封裝的版本。

請注意，保險絲和氣體放電管組合應(yīng)滿足 PoE++ 標(biāo)準(zhǔn)所述的所有法規(guī)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。 對于室外環(huán)境PoE電路，請考慮更高功率的TVS二極管陣列。 一種更高功率的TVS二極管陣列是圖5所示的2通道元件。

圖5. 雙通道TVS二極管瞬態(tài)保護器的引腳和功能框圖

像這樣的組件能夠吸收 3000 W 的瞬態(tài)功率或 150 A 的浪涌電流。 內(nèi)部齊納二極管在整個組件上提供瞬態(tài)保護，內(nèi)部抑制二極管在各個通道上提供差分瞬態(tài)保護。

穩(wěn)健設(shè)計的價值

在通信系統(tǒng)設(shè)計中包括過載保護將防止故障造成破壞性的環(huán)境干擾。 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在產(chǎn)品設(shè)計中添加附加組件的低成本。

如果將保護作為初始設(shè)計定義的一部分而不是事后的想法，則開發(fā)時間將受到最小的影響。 此外，在設(shè)計和選擇保護組件時，您可以利用制造商的專業(yè)知識節(jié)省寶貴的開發(fā)時間。 制造商可以通過具有成本效益并提供最低擁有成本的解決方案提供幫助。 您產(chǎn)品的高質(zhì)量聲譽將增加您公司的收入并帶來更高的盈利能力。 您的價值也將得到提升。