保護(hù)以太網(wǎng)供電 （PoE / PoE++） 通信

本文是“保護(hù)您的端口！ 保持通信連接的頂級(jí)設(shè)計(jì)技巧“系列來(lái)自 Littelfuse。

在信息通道上的數(shù)據(jù)端口之間發(fā)送和接收信息是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。 此外，通信系統(tǒng)需要可靠，以便它們能夠始終正常運(yùn)行，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會(huì)丟失或中斷。 為了開(kāi)發(fā)魯棒可靠的通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員需要考慮外部環(huán)境對(duì)其數(shù)據(jù)端口的影響。 雷電、靜電放電 （ESD）、過(guò)電流浪涌和過(guò)電壓瞬變等干擾會(huì)損壞通信集成電路 （IC）。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是在不影響電路性能、保持設(shè)計(jì)尺寸要求和控制成本的情況下，將針對(duì)這些干擾的保護(hù)融入他們的設(shè)計(jì)中。 本文是三篇系列文章中的第一篇，將通過(guò)為數(shù)據(jù)端口設(shè)計(jì)提供保護(hù)方案來(lái)幫助電子設(shè)計(jì)工程師克服這些挑戰(zhàn)。

本系列的第 1 部分將介紹以太網(wǎng)供電 (PoE) 的保護(hù)建議。 第二和第三部分將介紹保護(hù)高速和低速接口。

PoE 是一種在以太網(wǎng)電纜上傳輸電力和數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。 單根電纜可為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音 (VOIP) 電話、使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的安全攝像頭、無(wú)線接入點(diǎn)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由器和工業(yè)控制系統(tǒng)等設(shè)備提供電力和數(shù)據(jù)。 PoE 的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)是 802.3，自 2003 年以來(lái)一直在發(fā)展，以支持使用更高的功率。

表 1 顯示了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.3 的原始版本和后續(xù)版本，以適應(yīng)更高功率的傳輸。

表 1. IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的演變以實(shí)現(xiàn)更高功率的傳輸

該標(biāo)準(zhǔn)的2018年演變，802.3bt，通常稱為PoE ++，允許數(shù)據(jù)線上的最大功率為90 W和高達(dá)960 mA的電流。 此外，該標(biāo)準(zhǔn)允許以太網(wǎng)傳輸速率可以達(dá)到10 Gbps，10GBASE-T。 但是，將電源與低壓數(shù)字信號(hào)包括在內(nèi)，需要保護(hù)PoE電路免受電流過(guò)載和電壓瞬變的影響，例如雷電，ESD和其他在交流電源線上傳播的快速瞬變。

保護(hù) PoE++ 端口

圖 1 展示了一個(gè) PoE++ 設(shè)計(jì)示例，包括推薦的電流過(guò)載保護(hù)和瞬態(tài)電壓保護(hù)保護(hù)組件。 RJ45 連接器和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)之間的電路旨在保護(hù)以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路和用電設(shè)備 （PD） 控制器。

**圖1. ** 推薦用于 PoE++ 協(xié)議電路的保護(hù)組件

建議使用保險(xiǎn)絲來(lái)保護(hù)八條數(shù)據(jù)線中的每一條免受電流過(guò)載的影響。 考慮使用慢熔斷保險(xiǎn)絲，以避免由于開(kāi)關(guān)電源或雷電浪涌而導(dǎo)致的電流浪涌導(dǎo)致令人討厭的關(guān)斷。 保險(xiǎn)絲可以幫助避免的另一個(gè)情況是由于接線不正確或電源線短路而導(dǎo)致的損壞。 確保您選擇的保險(xiǎn)絲符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 第 8 部分浪涌規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)。 滿足這些要求的保險(xiǎn)絲的工作電流額定值約為 2A 或更低。

尋找分?jǐn)囝~定值高達(dá) 100 A 的保險(xiǎn)絲，以便即使在最壞情況下過(guò)載條件下保險(xiǎn)絲也能打開(kāi)且不會(huì)蒸發(fā)。 符合參考標(biāo)準(zhǔn)的保險(xiǎn)絲可以在大約一秒鐘內(nèi)斷開(kāi)，達(dá)到 250% 的過(guò)載。 為了實(shí)現(xiàn)PCB的高效組裝，請(qǐng)選擇適合回流焊接的表面貼裝版本。

在隔離信號(hào)變壓器的中心抽頭上，使用接地的保護(hù)晶閘管來(lái)吸收和防止電壓瞬變（包括雷擊）通過(guò)信號(hào)變壓器。 保護(hù)晶閘管，如 Littelfuse SIDACtor，?是撬棍型器件，具有低導(dǎo)通狀態(tài)電壓和吸收瞬態(tài)高電流的能力。

保護(hù)晶閘管的版本可以：

• 撬棍瞬態(tài)電壓低至 6 V
• 吸收高達(dá) 200 A 的浪涌電流
• 最小化電壓過(guò)沖
• 具有約 100 pF 的低電容
• 吸收任一極性瞬態(tài)
• 避免因多次浪涌事件而降級(jí)。

保險(xiǎn)絲與保護(hù)晶閘管相結(jié)合，符合全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn) GR 1080 和 IEC 62368-1，用于保護(hù)電信設(shè)備。

保護(hù)以太網(wǎng)物理層芯片組

對(duì)于以太網(wǎng) PHY 芯片組，可能導(dǎo)致?lián)p壞的主要瞬變是 ESD 沖擊、電纜放電事件和數(shù)據(jù)線上的電氣快速瞬變。 瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管陣列可以提供必要的保護(hù)。 為了保護(hù)所有八條數(shù)據(jù)線，請(qǐng)使用兩個(gè)4通道TVS二極管陣列，如圖2所示。

圖2. 四通道TVS二極管陣列IC，用于保護(hù)具有雙向二極管對(duì)的以太網(wǎng)物理層（PHY）電路，以及用于額外箝位保護(hù)的齊納二極管

使用 TVS 二極管陣列的好處包括：

• ESD 保護(hù)，沖擊高達(dá) ±30 kV
• 吸收高達(dá) 1000 W 脈沖功率或高達(dá) 45 A 峰值電流的瞬變
• 最小化信號(hào)失真，每個(gè)引腳接地僅 2.5 pF
• 低功耗，0.5 μA
• 節(jié)省空間的μDFN-10表面貼裝封裝。

保護(hù)用電設(shè)備 （PD） 控制器

PD 控制器是一種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可提供直流電源為設(shè)備供電。 AC/DC 整流器電路顯示在單獨(dú)的電路塊中。 整流器電路直接與來(lái)自 RJ45 連接器的輸入信號(hào)接口。 為了保護(hù)整流電路免受電壓瞬變的影響，建議在輸入線路上使用雙向TVS二極管。 這些串聯(lián)二極管對(duì)的版本能夠吸收高達(dá) 1500 W 的脈沖功率或 200 A 的浪涌電流。 TVS 二極管對(duì)瞬變的響應(yīng)非常快，響應(yīng)時(shí)間小于 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。

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二極管完成對(duì)PD控制器的保護(hù)。 您需要根據(jù)電路設(shè)計(jì)選擇合適的鉗位電壓。 該組件將提供對(duì)瞬態(tài)的快速響應(yīng)。

保護(hù)建筑物中的 PoE 網(wǎng)絡(luò)

建筑物內(nèi)的PoE網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不太惡劣的環(huán)境; 而且，PoE 網(wǎng)絡(luò)最多只能承載 15.4 W 或 350 mA。 在這里，建議使用2通道TVS二極管陣列保護(hù)PHY免受有害ESD事件的影響。

圖 3（左側(cè)框圖）詳細(xì)介紹了一個(gè)示例 PoE 網(wǎng)絡(luò)，并顯示了以太網(wǎng) PHY 芯片組輸入/輸出線路上的 TVS 二極管陣列。

***圖3. *用于保護(hù) PoE 室內(nèi)和室外電路的推薦組件

圖4顯示了2通道TVS二極管陣列的原理圖。 考慮使用能夠吸收高達(dá) ±30 kV 的 ESD 沖擊和 40 A 范圍內(nèi)的電流浪涌的保護(hù)二極管陣列。

***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(hù)

為了最大限度地減少Tx和Rx信號(hào)的信號(hào)失真，請(qǐng)尋找對(duì)地電容不超過(guò)2 pF的封裝。 此外，尋找漏電流低（例如小于1 μA）的TVS二極管陣列。

在室外環(huán)境中保護(hù) PoE 網(wǎng)絡(luò)

室外對(duì)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是一個(gè)比室內(nèi)更惡劣的環(huán)境。 電源交叉導(dǎo)致過(guò)流故障的風(fēng)險(xiǎn)更高，雷電引起的浪涌事件的風(fēng)險(xiǎn)也更高。 與 PoE++ 保護(hù)電路一樣，對(duì)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(shí)保險(xiǎn)絲，以防止電源交叉事件。 圖 3 右側(cè)顯示了一個(gè)示例。 對(duì)于這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，除了保險(xiǎn)絲外，還應(yīng)在 I/O 線路上放置氣體放電管。 氣體放電管提供撬棍保護(hù)，防止雷擊或其他危險(xiǎn)瞬變。 氣體放電管具有以下特性：

• 吸收和承受高達(dá) 1000 A 的電流浪涌的能力
• 低電容，< 1 pF，與元件兩端施加的電壓無(wú)關(guān)
• 具有表面貼裝封裝的版本。

請(qǐng)注意，保險(xiǎn)絲和氣體放電管組合應(yīng)滿足 PoE++ 標(biāo)準(zhǔn)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(hù)以太網(wǎng)PHY芯片組。 對(duì)于室外環(huán)境PoE電路，請(qǐng)考慮更高功率的TVS二極管陣列。 一種更高功率的TVS二極管陣列是圖5所示的2通道元件。

圖5. 雙通道TVS二極管瞬態(tài)保護(hù)器的引腳和功能框圖

像這樣的組件能夠吸收 3000 W 的瞬態(tài)功率或 150 A 的浪涌電流。 內(nèi)部齊納二極管在整個(gè)組件上提供瞬態(tài)保護(hù)，內(nèi)部抑制二極管在各個(gè)通道上提供差分瞬態(tài)保護(hù)。

穩(wěn)健設(shè)計(jì)的價(jià)值

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括過(guò)載保護(hù)將防止故障造成破壞性的環(huán)境干擾。 降低服務(wù)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量聲譽(yù)的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中添加附加組件的低成本。

如果將保護(hù)作為初始設(shè)計(jì)定義的一部分而不是事后的想法，則開(kāi)發(fā)時(shí)間將受到最小的影響。 此外，在設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)組件時(shí)，您可以利用制造商的專業(yè)知識(shí)節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 制造商可以通過(guò)具有成本效益并提供最低擁有成本的解決方案提供幫助。 您產(chǎn)品的高質(zhì)量聲譽(yù)將增加您公司的收入并帶來(lái)更高的盈利能力。 您的價(jià)值也將得到提升。