关于以太网裸露数据线的保护的方法和设计

现在，工程师被要求将一切连接到网络上。网络协议则可以选择以太网或其它协议。看起来这些设计任务很简单，但一旦真正实施就会发现会遭遇严重的挫折。

以太网的设计者们是无法想象我们怎样使用他们的“宝贝”。他们最初的意图是将各种计算机连接到一起。数据速率为10Mb/秒，在那个年代，这个速度对他们使用的处理器来说已经足够快了。那时，电脑位于单独的房间或数据中心，电缆不会超过10米。所有数据空间环境受到严格保护，一旦电脑连接后它们基本可以长期保持物理连接状态，所以ESD问题可以忽略不计。

今天，我们经常使用千兆以太网，100Base-T的缆线动辄数百米。在我们工作和生活的建筑物中有数英里的电缆埋在墙壁里和天花板内。我们使用以太网供电（PoE）给位于屋顶上的、通信信息亭、灯杆甚至无线电塔上的设备供电和通信。当老板告诉你要替换与以太网IEEE-488的连接时，他/她可能并不了解的IEEE-488链路内部的强健性，也不了解在工业环境中保持新以太网网络运行时你需要完成的工作。其实你需要一个网络电路保护方案，它能提供多年无故障服务，并希望它不仅仅是一个方案！

平心而论，绝大多数的以太网运行不需要特殊的保护。在大多数RJ-45以太网插孔前面，最开始提供保护的电子部件是隔离变压器。对大多数家庭和办公环境来说，由于多数以太网PHY收发器集成电路中有ESD保护，它提供了足够的保护。问题是少量的以太网端口裸露，使其受到严重的威胁。建筑物内部的长电缆变成了长天线，会将附近雷击的耦合能量导入到网络中。这些“天线”如果是在户外亭、屋顶或顶柱的安全摄像机上，它甚至更擅收集闪电的能量。

当可靠性问题出现后，电路保护的公司开发了“dongle”，它可提供额外的ESD过压保护。将“dongle ”插入有问题的RJ-45中，它提供一个它自己的“被保护”的RJ-45。这些设备被加到有问题的路由器或其他设备上，能有效解决ESD问题。

随着数据速率的上升和POE的到来，定制的解决方案是必需的，“一刀切”的“dongle ”方法往往是不够的。POE将带来更多的问题，例如， “dongle ”在仅为2V以太网信号设计时，直流电压下会启动过压保护。 千兆数据率的数据误差承受能力依赖于10Base-T或100Base-T网络设计的电容性负载保护方案。

与10Base-T不同，千兆以太网使用一个复杂的编码方案（见图1），它需要在一个线性通道上长距离成功传播。依靠外部电压，硅二极管和晶闸管上表现出非线性电容特性。

千兆以太网的时钟速率比10-BaseT快十倍，这使信号对电缆的电容和其他保护装置更加敏感。

建立一个强健的以太网网络通常需要一个“分层”的方法（参见图2），它由首层，第二层，有时还包含第三层。每一层执行某一特定任务：

第一层：借用电信的成熟的技术，气体放电管（GDT），例如爱普科斯871-t83-a90x，或硅技术设备，例如Littelfuse 的sdp3500q38cb SIDACtor保护晶闸管（需要一个偏置电压使它们的电容线性化–采用POE供电电压可容易的获得）可以以最小的电容负载处理浪涌。第一层会让电压保持高的状态通过，但它限制了浪涌的持续时间，让大部分能量被分流到地。对POE应用，保护设备的击穿电压必须高于POE的供电电压。同时，设计工程师必须确保在保护生效后，连接电源的主保护系统有“解锁”或“复位”的功能。

通常，这需要一个回路限流的POE供电和保持高电流的保护装置。

第二层：隔离变压器不仅仅对PHY收发器IC提供直流隔离，而且由于它极小磁芯的易饱和性，限制了收发电路的耦合能量。然而，绕组之间的隔离必须能承受通过第一层、且无衰减的电压。记住一个GDT可能有90V的直流击穿电压，但在快速DV / DT的雷电冲击条件下可能高达500V。通过隔离屏障，绕组间电容能也可以耦合能量，但对于磁耦合的能量，它通常是相当小。

第三层：第一层和第二层保护已经削弱了PoE的能量、限制了最大电压和电流，当前情况可以通过一系列技术进行处理，其中许多可以借鉴ESD保护装置的技术。一些例子：

•差分过压保护，如ST提供的slvu2.8，就是一个简单简洁的解决方案，但是它对通过变压器耦合绕组间电容的耦合能量没有提供保护。这往往是一个可接受的解决方案。

•对绕组间电容通过的能量，安森美半导体的nup4114系列提供纵向接地保护。

•Bourns提供了TCS（瞬态电流抑制器）DL系列设备的保护方法，依靠限制PHY收发器的输入和输出的最大电流到安全水平，而不是通过负载保护、分流电流进行过压保护。这些只能处理40V的情况，对裸露的以太网完善的分层保护是必须的。

Bourns的文献中还有portnote解决方案。这些都是简单的“初级”解决方案，提供一些好的以太网和其他通信端口保护的例子。

当今要求苛刻的以太网应用远远超出最早以太网的预期 – 距离、数据速率和裸露的浪涌威胁。如果仔细考虑工程保护方案，强健的以太网网络是可以部署到非常具有挑战性的环境下的。