保护以太网电源(PoE / PoE++)通信

在信息信道上的数据端口之间的发送和接收信息是数据通信系统设计的主要目标。另外，通信系统需要可靠，使得它们可以在始终处于功能，确保关键数据不会丢失或中断。为了开发强大和可靠的通信系统，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的扰动可能会损坏通信集成电路（IC）。

设计师面临的挑战是，在不影响电路性能的情况下，将这些干扰的保护纳入设计中，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，将通过为电子设计工程师的数据端口设计提供保护方案，帮助他们克服这些挑战。

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

PoE是一种通过以太网电缆传输电力和数据的传输技术。一根电缆为诸如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等设备提供电力和数据。IEEE PoE标准是802.3，自2003年以来一直在发展，以实现更高功率的使用。

表1显示了IEEE标准802.3的原始和随后的修订，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

该标准2018年的升级版本为802.3bt，通常被称为PoE++，允许数据线的最大功率为90w，电流高达960ma。此外，该标准允许以太网传输速率可以达到10gbps, 10GBASE-T。然而，包含低电压数字信号的电源需要保护PoE电路免受电流过载和电压瞬变，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示出了示例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部件。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）电路和动力设备（PD）控制器。

图1。PoE ++协议电路推荐的保护组件

建议使用保险丝保护8条数据线中的每一条不受电流过载的影响。考虑使用慢速熔断器，以避免开关电源或雷击电涌造成的电流冲击造成的有害关机。保险丝可以帮助避免的另一种情况是由于电线不正确或电源线短路造成的损坏。确保您选择的保险丝符合IEC 62368-1、Telcordia GR-1089、FCC 47 Part 8 Surge specification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。

寻找断路率高达100a的保险丝，这样即使在最坏的过载情况下，保险丝也能断开而不会蒸发。符合参考标准的保险丝可以在大约一秒内打开，过载达到250%。为了使PCB的高效组装，选择适合回流焊的表面贴装版本。

在隔离信号变压器的中心抽头上，使用连接到地球接地的保护晶闸管吸收和防止电压瞬变，包括雷击，从通过信号变压器。保护晶闸管，如LittelfuseSidactors®，是具有低导通电压的撬棍型器件，以及吸收瞬态高电流的容量。

保护晶闸管的版本可以：

• 用铁撬将瞬态电压低至6伏
• 吸收高达200a的浪涌电流
• 最小化电压过冲
• 有大约100pf的低电容
• 吸收任一极性瞬变
• 避免多个激增事件导致降级。

熔断器和保护晶闸管符合全球监管标准，GR 1080和IEC 62368-1，用于保护电信设备。

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态是ESD罢工，电缆放电事件和数据线上的电气快速瞬态。瞬态电压抑制器（TVS）二极管阵列可以提供必要的保护。要保护所有八条数据线，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保护以太网物理层(PHY)电路与双向二极管对和齐纳二极管附加箝位保护

使用TVS二极管数组的好处包括：

• ESD保护高达±30kv的冲击
• 可吸收高达1000 W脉冲功率或高达45 A峰值电流的瞬态电流
• 最小的信号失真，每针对地仅2.5 pF
• 低功耗，0.5µA
• 节省空间μDFN-10表面贴装封装。

保护动力设备（PD）控制器

PD控制器是一个DC/DC转换器，为设备提供直流电源。交流/直流整流电路显示在单独的电路块。整流电路直接与来自RJ45连接器的传入信号接口。为了保护整流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。这些系列二极管对的版本能够吸收高达1500 W的脉冲功率或200a的浪涌电流。TVS二极管对瞬态响应非常快，响应时间小于1ps，漏电流小于1µa，从而使电路功耗最小化。

通过在整流器的输出端和PD控制器DC / DC电源的输入中，使用单向TVS二极管完成PD控制器的保护。您需要根据电路设计选择适当的钳位电压。该组件将提供对瞬态的快速响应。

保护建筑物内的PoE网络

楼房内的PoE网络环境较好;PoE组网最大带宽为15.4 W / 350ma。在这里，建议使用2通道TVS二极管阵列保护PHY免受有害的ESD事件。

图3(左侧框图)详细介绍了PoE网络的示例，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。室内外PoE电路保护推荐组件

图4显示了2通道TVS二极管阵列的原理图。考虑使用一个保护二极管阵列，它能够吸收高达±30kv的ESD冲击和40 a范围的电流浪涌。

图4。用于以太网PHY电路的电压瞬态保护的双通道TVS二极管阵列IC

为了最小化Tx和Rx信号的信号失真，寻找不超过2个PF电容的封装。此外，寻找具有低漏电流的TVS二极管阵列，例如小于1μA。

室外环境下保护PoE网络

对于电子产品来说，户外环境比室内环境要恶劣得多。电力交叉造成过流故障的风险更高，雷击诱发的电涌事件的风险也更高。与PoE++保护电路一样，对于任何室外和恶劣环境的PoE电路，建议在每条I/O线路上安装延时保险丝，以防止功率交叉事件。图3的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，气体放电管也应该放置在I/O线。气体放电管提供撬棍保护，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1000a电流冲击的能力
• 低电容，<1 PF，独立于组件施加的电压
• 有表面贴装包装的版本。

请注意，保险丝和气体放电管组合应满足对PoE ++标准描述的所有监管要求。

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，考虑更高的功率TVS二极管阵列。一个这样更高的功率，TVS二极管阵列是图5中所示的2通道组件。

图5。双通道TVS二极管瞬态保护器的引脚和功能框图

这样的组件能够吸收3000瓦的瞬态功率或150 A的浪涌电流。内部齐纳二极管提供跨组件的瞬态保护，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包括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所带来的好处远远超过产品设计中增加额外组件所带来的小成本。

如果您包括作为初始设计定义的一部分的保护，而不是作为事后的理想，您的开发时间将受到最低限度影响。此外，通过利用制造商的专业知识，您可以在设计和选择保护组件时拯救自己的宝贵开发时间。制造商可以帮助解决成本效益的解决方案，并提供最低的所有权成本。您的产品的高素质声誉将提高您公司的收入，并导致更高的盈利能力。您的价值也将得到增强。

参考文献

欲了解更多信息，请下载以下指南，由Littelfuse, Inc.提供。

• 电路保护产品选择指南
• 防静电设计指南
• 以太网保护选择指南
• SIDACtor®保护晶闸管半导体产品

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