简述以太网供电 (PoE) 的保护建议

在信息通道上的数据端口之间传输和接收信息是数据通信系统设计的主要目标。此外，通信系统需要可靠，以便它们可以始终正常运行，确保关键数据不会丢失或中断。为了开发稳健可靠的通信系统，设计人员需要考虑外部环境对其数据端口的影响。闪电、静电放电 (ESD)、过电流浪涌和过电压瞬变等干扰会损坏通信集成电路 (IC)。

设计人员面临的挑战是在他们的设计中加入针对这些干扰的保护，同时又不影响其电路的性能、保持设计的尺寸要求并控制其成本。本文是三篇系列文章中的第一篇，将通过为他们的数据端口设计提供保护方案来帮助电子设计工程师克服这些挑战。

本系列的第 1 部分将介绍以太网供电 (PoE) 的保护建议。第二和第三部分将涵盖保护高速和低速接口。

PoE 是一种传输技术，可在以太网电缆上传输电力和数据。单根电缆为设备提供电源和数据，例如互联网协议语音 (VOIP) 电话、使用互联网协议的安全摄像头、无线接入点、数据中心网络路由器和工业控制系统。PoE 的 IEEE 标准是 802.3，自 2003 年以来一直在发展，以支持使用更高的功率。

表 1 显示了 IEEE 标准 802.3 的原始和后续修订版，以适应更高的功率传输。

表 1. IEEE 802.3 标准的演进以实现更高功率的传输

标准 802.3bt（通常称为 PoE++）的 2018 年演进允许数据线上的最大功率为 90 W 和高达 960 mA 的电流。此外，该标准允许以太网传输速率可以达到 10 Gbps、10GBASE-T。然而，包含低电压数字信号的电源要求保护 PoE 电路免受电流过载和电压瞬变的影响，例如闪电、ESD 和其他在交流电源线上传播的快速瞬变。

保护 PoE++ 端口

图 1 说明了一个 PoE++ 设计示例，包括推荐的用于电流过载保护和瞬态电压保护的保护组件。RJ45 连接器和保护网络之间的电路旨在保护以太网物理层 (PHY) 电路和受电设备 (PD) 控制器。

图1 PoE++协议电路推荐保护元件

建议使用保险丝来保护 8 条数据线中的每一条免受电流过载的影响。考虑使用慢熔保险丝，以避免因开关电源或雷击浪涌引起的电流浪涌而导致停机。保险丝可以帮助避免的另一种情况是由于电源线接线错误或短路造成的损坏。确保您选择的保险丝符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 第 8 部分浪涌规范等标准。满足这些要求的保险丝的额定工作电流约为 2A 或更低。

寻找分断额定值高达 100 A 的保险丝，以便保险丝即使在最坏的过载情况下也能断开且不会汽化。符合参考标准的保险丝可以在大约 1 秒内断开，达到 250% 的过载。为了实现 PCB 的高效组装，请选择适合回流焊接的表面贴装版本。

在隔离信号变压器的中心抽头上，使用接地的保护晶闸管来吸收和防止电压瞬变（包括雷击）通过信号变压器。保护晶闸管，如 Littelfuse SIDACtors®，是具有低通态电压和吸收瞬变大电流能力的撬棒型器件。

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
• 具有大约 100 pF 的低电容
• 吸收任一极性瞬变
• 避免因多次浪涌事件而导致性能下降。

与保护晶闸管相结合的熔断器符合用于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

对于以太网 PHY 芯片组，可能导致损坏的主要瞬变是 ESD 冲击、电缆放电事件和数据线上的电气快速瞬变。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，如图 2 所示。

图 2.四通道 TVS 二极管阵列 IC，用于保护带有双向二极管对的以太网物理层 (PHY) 电路和用于额外钳位保护的齐纳二极管

使用 TVS 二极管阵列的好处包括：

• ESD 保护以高达 ±30 kV 的冲击
• 吸收高达 1000 W 脉冲功率或高达 45 A 峰值电流的瞬变
• 每个引脚对地仅 2.5 pF，最大限度地减少信号失真
• 0.5 µA 的低功耗
• 节省空间的 µDFN-10 表面贴装封装。

保护受电设备 (PD) 控制器

PD 控制器是一个 DC/DC 转换器，提供直流电源为设备供电。AC/DC 整流器电路显示在单独的电路块中。整流电路直接与来自 RJ45 连接器的输入信号接口。为了保护整流器电路免受电压瞬变的影响，建议在输入线上使用双向 TVS 二极管。这些串联二极管对的版本能够吸收高达 1500 W 的脉冲功率或 200 A 的浪涌电流。TVS 二极管对瞬态响应非常快，响应时间小于 1 ps。此外，它们的漏电流低于 1 µA，以最大限度地减少电路功耗。

通过整流器输出端和PD控制器DC/DC电源输入端的单向TVS二极管完成PD控制器的保护。您需要根据您的电路设计选择合适的钳位电压。该组件将对瞬态提供快速响应。

保护建筑物中的 PoE 网络

建筑物内的 PoE 网络是一种不太恶劣的环境；并且，PoE 网络最多只能承载 15.4 W 或 350 mA。在这里，建议使用 2 通道 TVS 二极管阵列保护 PHY 免受有害 ESD 事件的影响。

图 3（左侧框图）详细介绍了一个 PoE 网络示例，并显示了以太网 PHY 芯片组输入/输出线上的 TVS 二极管阵列。

图 3.用于保护 PoE 室内和室外电路的推荐组件

图 4 显示了 2 通道 TVS 二极管阵列的原理图。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。

图 4.用于以太网 PHY 电路电压瞬变保护的双通道 TVS 二极管阵列 IC

为了最大限度地减少 Tx 和 Rx 信号的信号失真，寻找对地电容不超过 2 pF 的封装。此外，寻找具有低漏电流（例如小于 1 µA）的 TVS 二极管阵列。

在室外环境中保护 PoE 网络

对于电子产品而言，室外环境比室内严酷得多。电源交叉导致过电流故障的风险更高，雷击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的 PoE 电路，建议在每条 I/O 线上使用延时保险丝，以防止电源交叉事件。图 3 右侧显示了一个示例。对于这种具有挑战性的环境，除了保险丝外，还应跨 I/O 线放置气体放电管。气体放电管提供短路保护，防止闪电或其他危险瞬变。气体放电管具有以下特性：

• 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。

请注意，保险丝和气体放电管组合应满足 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。对于室外环境 PoE 电路，请考虑使用更高功率的 TVS 二极管阵列。图 5 中所示的 2 通道组件就是这样一种更高功率的 TVS 二极管阵列。

图 5.两通道 TVS 二极管瞬变保护器的引脚和功能框图

此类组件能够吸收 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，内部抑制二极管提供跨单个通道的差分瞬态保护。

稳健设计的价值

在您的通信系统设计中加入过载保护将防止故障破坏环境干扰。降低服务成本和提高产品质量声誉的好处远远超过添加到产品设计中的附加组件的小成本。

如果您将保护作为初始设计定义的一部分而不是事后考虑，您的开发时间将受到的影响最小。此外，您可以利用制造商的专业知识在设计和选择保护组件时节省宝贵的开发时间。制造商可以帮助提供具有成本效益并提供最低拥有成本的解决方案。您产品的高质量声誉将提高您公司的收入并带来更高的盈利能力。你的价值也会得到提升。