如何保護以太網(wǎng)供電網(wǎng)絡

設計人員經(jīng)常忽略靜電放電（ESD）和電源線引起的瞬變會影響未直接連接到交流電源線的電子電路。如果他們正在設計具有通信鏈路的設備，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)射器都必須發(fā)送未損壞的信息，并且接收器需要解碼傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且不會增加額外的失真。設計人員需要通過開發(fā)能夠應對可能損壞通信數(shù)據(jù)端口的環(huán)境影響的電路來應對這些挑戰(zhàn)。雷電、ESD、過流浪涌和過壓瞬變等干擾可能會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。這是關于保護數(shù)據(jù)通信端口的三部分系列中的第一部分。其余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，包括電源以及以太網(wǎng)布線上的數(shù)據(jù)。單根電纜為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡路由器、使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的安全攝像機、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)等設備提供電源和數(shù)據(jù)。標準IEEE 802.3定義了PoE通信協(xié)議，并已發(fā)展到允許使用更高的功率。表1顯示了IEEE標準的原始和后續(xù)修訂版，以適應更高的功率傳輸。2018年標準的802.3bt（稱為PoE ++）的演變允許數(shù)據(jù)線上的最大功率為90 W，電流高達960 mA。低功耗設備可能不需要線路供電電源，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，引入低電壓數(shù)字信號電源需要保護PoE電路免受電流過載、電壓瞬變（包括雷擊和ESD）以及交流電源線上可能發(fā)生的其他快速瞬變等情況的影響。

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所示為PoE++設計示例，包括推薦用于電流過載保護和瞬態(tài)電壓保護的保護元件。RJ45 連接器和保護網(wǎng)絡之間的電路設計用于保護用電設備 （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八條數(shù)據(jù)線中的每條都免受電流過載的影響。慢速熔斷保險絲可避免因開關電源供電而導致的電流浪涌造成的麻煩關斷。保險絲可以幫助避免的另一種情況是由于電源線接線不正確或短路而造成的損壞。確保保險絲符合 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。考慮一個中斷額定值高達100 A的保險絲，這樣即使在最壞的過載條件下，保險絲也可以打開而不會蒸發(fā)。符合參考標準的保險絲可以在大約一秒鐘內(nèi)打開，達到250%的過載。為了實現(xiàn) PC 板 （PCB） 的低成本組裝，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，我們建議使用連接到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 SIDACtors?，是撬棒型設備，具有低導通狀態(tài)電壓，能夠吸收瞬變產(chǎn)生的高電流。保護晶閘管的版本可以：

撬棒瞬態(tài)電壓低至 6 V

吸收高達 200 A 的浪涌電流

將電壓過沖降至最低

提供約 100 pF 的低電容

吸收任一極性瞬態(tài)

避免多次浪涌事件導致性能下降。

請注意，保險絲與保護晶閘管相結合，符合保護電信設備的全球監(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 的沖擊提供 ESD 保護

吸收脈沖功率高達 1000 W 或峰值電流高達 45 A 的瞬變

信號失真最小，每個引腳對地速率僅為 2.5 pF

低功耗，0.5 μA

節(jié)省空間的 μDFN-10 表面貼裝封裝。

圖 2.四通道 TVS 二極管陣列，用于保護包含雙向二極管對的以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路和齊納二極管，以提供更多的鉗位保護

保護用電設備 （PD） 控制器

PD 控制器是一個直流/直流轉換器，為 PoE++ 端口供電提供直流電源。單獨的電路塊顯示 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。為了保護整流電路免受電壓瞬變的影響，請在輸入線路上放置雙向TVS二極管。這些串聯(lián)二極管對的版本能夠吸收 200 A 或高達 1500 W 的脈沖功率浪涌電流。TVS二極管對瞬變的響應時間非常快，通常小于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。

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 二極管提供對瞬變的快速響應。根據(jù)電路設計中的半導體元件選擇具有適當箝位電壓的TVS二極管。

保護建筑物中的 PoE 網(wǎng)絡

建筑物內(nèi)的PoE網(wǎng)絡是一個不太惡劣的環(huán)境;而且，PoE網(wǎng)絡的最大輸出功率僅為15.4 V或350 mA。對于本電路，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左側的框圖詳細介紹了一個示例PoE網(wǎng)絡，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。圖4所示為2通道TVS二極管陣列原理圖?？紤]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。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TVS二極管陣列。此外，尋找具有低漏電流（例如漏電流低于1 μA）的TVS二極管陣列。

圖 3.PoE 室內(nèi)和室外電路：推薦的保護元件

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

在室外環(huán)境中保護 PoE 網(wǎng)絡

對于電子產(chǎn)品來說，室外環(huán)境比室內(nèi)環(huán)境要嚴重得多。功率交叉導致過流故障的風險更高，閃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。（請參閱圖 3 右側顯示的示例。由于環(huán)境具有挑戰(zhàn)性，除了保險絲外，還應在I/O線路上放置氣體放電管（GDT）。GDT 提供撬棍保護，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 的電流浪涌的能力

低電容，《 1 pF，與施加在元件上的電壓無關

具有表面貼裝封裝的版本。

注意： 保險絲和 GDT 組合應滿足 PoE++ 標準中所述的所有法規(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。在戶外環(huán)境PoE電路的情況下，考慮使用更高功率的TVS二極管陣列。TVS二極管陣列就是2通道元件（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)部齊納二極管在組件上提供瞬態(tài)保護，內(nèi)部抑制二極管在各個通道之間提供差分瞬態(tài)保護。

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

5b.功能示意圖

穩(wěn)健設計的價值

在通信系統(tǒng)設計中加入過載保護，可防止因環(huán)境引起的過載和瞬變而損壞電子電路。添加保護組件需要付費;然而，降低服務成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量聲譽的好處遠遠超過附加組件的低成本。在原始設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)性測試失敗而不需要返工，則開發(fā)時間甚至可能減少。此外，為了節(jié)省開發(fā)時間，請利用制造商的專業(yè)知識來協(xié)助設計和選擇保護組件。制造商可以幫助提供具有成本效益的解決方案，并提供最低的擁有成本。一些制造商可以提供有關標準合規(guī)性的指導;而且，一些制造商可以執(zhí)行預合規(guī)測試，以促進產(chǎn)品獲得標準機構的批準，而無需多輪測試。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