如何保护以太网供电PoE网络

设计人员经常忽略静电放电 （ESD） 和电源线感应瞬变会影响未直接连接到交流电源线的电子电路。如果他们正在设计带有通信链路的设备，他们需要确保数据端口电路始终可靠运行。

在任何时候，发送器都必须发送未损坏的信息，而接收器需要对传输的数据进行解码，并且不会增加额外的失真。设计人员需要通过开发对可能损坏通信数据端口的环境影响具有鲁棒性的电路来应对这些挑战。诸如闪电、ESD、过电流浪涌和过电压瞬变之类的干扰可以通过电路传播并损坏数据端口电路。

本文讨论如何保护以太网供电 （PoE） 网络。它是关于保护数据通信端口的三部分系列中的第一部分。剩下的两篇文章将提供保护高速和低速通信端口的建议。

PoE 是一种通信技术，包括电源以及以太网电缆上的数据。单根电缆为数据中心网络路由器、使用互联网协议的安全摄像头、互联网协议语音 （VOIP） 电话、无线接入点和工业控制系统等设备提供电力和数据。标准 IEEE 802.3 定义了 PoE 通信协议，并且已经发展到允许使用更高的功率。表 1 显示了 IEEE 标准的原始修订版和后续修订版，以适应更高的功率传输。标准 802.3bt（称为 PoE++）的 2018 年演进允许最大功率为 90 W，数据线上的电流高达 960 mA。低功率设备可能不需要线路供电，因为 PoE++ 通道将提供所需的电源。此外，该标准允许以太网通信速率高达 10 Gbps、10GBASE-T。然而，引入低压数字信号电源需要保护 PoE 电路免受电流过载、包括闪电和 ESD 在内的电压瞬变以及交流电源线上可能发生的其他快速瞬变等条件的影响。

表 1. IEEE 802.3 标准：实现更高功率传输的演进

保护 PoE++ 端口

图 1 显示了一个示例 PoE++ 设计，包括用于电流过载保护和瞬态电压保护的推荐保护组件。RJ45 连接器和保护网络之间的电路旨在保护受电设备 （PD） 控制器和以太网物理层 （PHY） 电路。

图 1. PoE++ 协议电路：推荐的保护元件

考虑使用保险丝来保护 8 条数据线中的每条线免受电流过载。慢熔保险丝将避免由于为开关电源供电而引起的电流浪涌造成的令人讨厌的停机。保险丝可以帮助避免的另一种情况是由于错误接线或短路电源线造成的损坏。确保保险丝符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 Part 8 浪涌规范等标准。满足这些要求的保险丝的工作电流额定值约为 2A 或更低。考虑一个具有高达 100 A 的分断额定值的保险丝，这样保险丝即使在最坏的过载情况下也可以打开并且不会蒸发。符合参考标准的保险丝在 250% 过载时可在大约一秒内断开。为了实现 PC 板 （PCB） 的低成本组装，

在隔离信号变压器的中心抽头上，我们建议使用接地的保护晶闸管来吸收和防止包括雷击在内的电压瞬变通过信号变压器。保护晶闸管，如 Littelfuse SIDACtors®，是具有低通态电压的撬棒型器件，具有吸收瞬态高电流的能力。保护晶闸管的版本可以：

Crowbar 瞬态电压低至 6 V

吸收高达 200 A 的浪涌电流

最小化电压过冲

提供约 100 pF 的低电容

吸收任一极性瞬态

避免因多个浪涌事件而降级。

请注意，与保护晶闸管组合的保险丝满足保护电信设备的全球监管标准 GR 1080 和 IEC 62368-1。

保护以太网物理层芯片组

数据线上的 ESD 冲击、电缆放电事件和电气快速瞬变是可能导致以太网 PHY 芯片组损坏的主要瞬变。瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管阵列可以提供必要的保护。要保护所有 8 条数据线，请使用两个 4 通道 TVS 二极管阵列（图 2）。使用 TVS 二极管阵列的好处包括：

针对高达 ±30 kV 冲击的 ESD 保护

吸收高达 1000 W 脉冲功率或高达 45 A 峰值电流的瞬变

每个引脚接地仅 2.5 pF 将信号失真降至最低

0.5 µA 的低功耗

节省空间的 µDFN-10 表面贴装封装。

图 2. 用于保护以太网物理层 （PHY） 电路的四通道 TVS 二极管阵列包含双向二极管对和齐纳二极管以提供更多钳位保护

保护受电设备 （PD） 控制器

PD 控制器是一个 DC/DC 转换器，可为 PoE++ 端口提供直流电源。单独的电路块显示了 AC/DC 整流器电路。整流器电路与来自 RJ45 连接器的输入信号连接。为了保护整流器电路免受电压瞬变的影响，请在输入线上放置双向 TVS 二极管。这些串联二极管对的版本能够吸收 200 A 的浪涌电流或高达 1500 W 的脉冲功率。TVS 二极管对瞬态的响应时间非常快，通常不到 1 ps。此外，它们的漏电流低于 1 µA，以最大限度地降低电路功耗。

要完成 PD 控制器的保护，请在整流器的输出端和 PD 控制器 DC/DC 电源的输入端使用单向 TVS 二极管。TVS 二极管对瞬变提供快速响应。根据电路设计中的半导体元件，选择具有适当钳位电压的 TVS 二极管。

保护建筑物中的 PoE 网络

建筑物内的 PoE 网络环境不那么恶劣；并且，PoE 网络最大只能承载 15.4 V 或 350 mA。对于此电路，请考虑使用 2 通道 TVS 二极管来保护 PHY 免受有害 ESD 事件的影响。图 3 左侧的框图详细介绍了示例 PoE 网络，并显示了以太网 PHY 芯片组的输入/输出线上的 TVS 二极管阵列。2 通道 TVS 二极管阵列示意图如图 4 所示。考虑使用能够吸收高达 ±30 kV 的 ESD 冲击和 40 A 范围内的电流浪涌的保护二极管阵列。 Tx 和 Rx 信号，寻找对地电容不超过 2 pF 的 TVS 二极管阵列。此外，还要寻找漏电流低的 TVS 二极管阵列，例如漏电流低于 1 µA。

图 3. PoE 室内和室外电路：推荐的保护元件

图 4. 用于以太网 PHY 电路电压瞬态保护的两通道 TVS 二极管阵列 IC

保护室外环境中的 PoE 网络

对于电子产品而言，户外环境比室内环境恶劣得多。电源交叉导致过流故障的风险更高，并且雷电引起的浪涌事件的风险也更高。与 PoE++ 保护电路一样，对于任何户外和恶劣环境 PoE 电路，建议在每条 I/O 线路上使用延时保险丝，以防止发生电源交叉事件。（参见图 3 右侧所示的示例。）由于环境具有挑战性，除了保险丝外，气体放电管 （GDT） 还应放置在 I/O 线路上。GDT 提供避雷针保护，防止雷击或其他危险瞬变。GDT 具有以下属性：

吸收和承受高达 1000 A 电流浪涌的能力

低电容，《 1 pF，与施加在组件上的电压无关

具有表面贴装封装的版本。

注意：保险丝和 GDT 组合应满足 PoE++ 标准所述的所有监管要求。

与其他电路一样，TVS 二极管阵列可以保护以太网 PHY 芯片组。在室外环境 PoE 电路的情况下，考虑更高功率的 TVS 二极管阵列。2 通道组件就是这样一种更高功率的 TVS 二极管阵列（图 5）。这些二极管阵列能够吸收 3000 W 的瞬态功率或 150 A 的浪涌电流。内部齐纳二极管为组件提供瞬态保护，内部抑制二极管为各个通道提供差分瞬态保护。

图 5a。两通道 TVS 二极管阵列封装引脚 图 图 5. 双通道 TVS 二极管阵列瞬态保护器

5b。功能图

稳健设计的价值

在通信系统设计中加入过载保护可防止因环境引起的过载和瞬变而损坏电子电路。增加保护元件是有成本的；然而，降低服务成本和提高产品质量声誉的好处远远超过了附加组件的低成本。在原始设计定义中包含保护要求，开发时间将受到微不足道的影响。如果由于认证或合规性测试失败而无需返工，甚至可以减少开发时间。此外，为了节省开发时间，请利用制造商的专业知识来帮助设计和选择保护组件。制造商可以提供具有成本效益并提供最低拥有成本的解决方案。一些制造商可以提供有关标准合规性的指导；并且，一些制造商可以执行预合规性测试，以促进产品获得标准机构的批准，而无需进行多轮测试。具有高质量声誉的产品可以维持更高水平的盈利能力并增加收入。

审核编辑：郭婷