雷电和浪涌保护以太网标准

当今的万物互联时代需要很多以太网端口，也就不可避免地会将一些重要的网络连接暴露在危险的外部环境之下。外部传感器摄像头、WiFi热点、WiFi中继器和微蜂窝回程都可能会连接到交换机或路由器，使它们面临过电压威胁。为了最大限度地提高设备的耐用性（并尽量减少保修退货问题），制造商势必会要求其交换机和路由器满足特定的浪涌/安全标准或指南。

最初该领域的专家提出了一些建议，以确保在实际部署时最大限度地提高稳健运行的可能性。当客户要求遵守其中一个或多个建议时，这些建议很快就成为了强制要求，你别无选择。而且现在还推出了很多国际标准，我们很难弄清楚哪些标准适用于我们的特定应用场景。IEEE、IEC、Telcordia和ITU文件均规定了以太网标准，它们很相似，但又各不相同。

下表汇总了一些主要的雷电和浪涌保护以太网标准。值得一提的是，这里仅列出了一些最新标准，因为随着PoE等新技术的迅速发展，旧版本很快就会被淘汰。本文将重点关注ITU-T，这是目前最严格的一项测试标准。

表1: 主要浪涌保护标准 ITU-T标准简介

ITU（国际电信联盟）是联合国负责信息通信技术（IC）的专门机构，拥有多个部门，其中一个部门专门负责标准化制定，曾称为CCITT，但在1993年更名为ITU-T。ITU-T制定的K系列建议书主要探讨了环境危害等抗干扰保护。

ITU-T标准逻辑条理清楚，易于查阅。如需最新版本的标准，请从https://www.ITU.int/rec/T-rec-K/en上免费下载。K.20、K.21和K.45针对不同的应用场景，分别列出了具体测试要求（如电压和电流等级、阻抗、测试持续时间、通过/失败标准），并且都采用了K.44中定义的常规测试设置和测试示意图。

下图可以帮助您确定各类产品需要关注的相关标准。请注意，ITU-T不区分以太网供电设备（PSE）和受电设备（PD），它们都使用相同的标准。住宅区通常没有良好的接地系统，更容易受到环境冲击。因此，K.21测试比其他测试更难。一般来说。如果能通过K.21测试，那么也能通过K.20和K.45。

图1: 中央办公室、接入设备和客户端设备所采用的ITU-T标准

ITU-T明确列出了以太网和PoE需求，很容易遵循。其中测试2. 1. 7至2. 1. 11针对外部端口，而测试7.4至7.7针对内部端口，但其测试要求是相同的。所有浪涌波形都由标准的8/20组合波发生器产生。下表对这些测试进行了汇总。

表2: 2017年7月最新颁布的ITU-T K.21基础和增强测试列表

与之前的ITU-T版本相比，这次的最大变化是将增强测试电压从4kV升到了6kV，能更准确地模拟现场所见。室内设备可能只需要满足基本测试要求。而对于室外设备，人们倾向于通过屏蔽以太网电缆来减少电压和电流的环境耦合，使得测试标准低于6kV增强测试，但这不会针对电线上已经存在的传导电压和电流提供防护。最终客户将确定设计是否必须满足基本或增强保护标准。当然这也涉及到成本与性能的权衡。 测试示例

图2: K.44测试设置示例

PoE设计中通常有三种不同的接地方式：连接到RJ45连接器处电缆屏蔽层（如果有）的线路侧信号接地，具有以太网ASIC和SOC的变压器的PHY侧信号接地，与信号隔离的PoE电源接地。这些模块都以不同的阴影框显示。

此外，所有PoE测试（绝缘电阻测试除外）均在通电的情况下进行。上面显示的是54V工作台电源。为了防止浪涌对电源的破坏，宜增加一个具有足够击穿电压的二极管与其串联，如上图所示。而且要增加电源电压以补偿二极管的正向压降，以确保PoE控制器可以得到适当的电压。

K.44一般规定所有接地都要连接在一起。但是，也希望能在正常工作模式下进行设备测试，对于PoE来说，就意味着54V电源应保持悬浮状态。这将在未来的ITU-T修正案中得到协调，但请注意，目前这些测试使用的仍是悬浮电源，否则您可能需要在不通电的情况下进行这些测试。 浪涌保护注意事项

在实际应用中，要想找到一个能处理好上表所示K.21浪涌和测试条件的设计，并不容易。耦合电阻小，浪涌电压就大。大瞬态电流会以某种方式找到接地。如果驱动电压够大的话，设计者就需要考虑电流可以走的各个线路。由于存在变压器电感和电路电容，瞬变可能和想象的不一样。因此，需要考虑一些相关问题。

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线路侧注意事项

在线路侧感应到的浪涌可以使用信号变压器有效地阻断，该变压器在额定情况下可处理高达6千伏的浪涌（增强测试）和25千伏的浪涌（基础测试）。然而，真正的额定浪涌变压器在市场上很少见，因为在生产中进行100%测试不仅困难，而且成本高。变压器通常用于高电位（即耐压）测试。这是一项涉及电压缓慢上升的测试，因此其击穿机制可能与浪涌击穿没有很大的关联。尽管如此，额定耐压值高的变压器通常更受欢迎。

大多数RJ45连接器无法承受上千伏的浪涌，通过在变压器的线路侧中心抽头上安装MOV或VS钳位电路，降低以太网线路上的电压，便可以解决这一问题。这对变压器也起到了一定的保护作用。但是，在进行500V绝缘电阻测试时（如表2所示），钳位电路不能跳闸，因此在选择元器件时不仅需要钳位电压高于500V，还要考虑工艺和温度公差。

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PHY侧注意事项

变压器可能在浪涌期间饱和，从而大大降低电路PHY侧的电压。但是，在信号线路上安装一个阻尼装置来保护以太网ASICS，仍然是明智的举措。对于增强测试，还需要限流器来提升设计可靠性，如Bours TCS HSP。

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PoE注意事项

浪涌也可以通过变压器中心抽头进入设计的PoE阶段，所以应通过钳位电路对PoE控制电路进行保护。直流电源路径中通常也会有一个串联的射频扼流圈，但其频率响应很高，提供的瞬态浪涌保护非常有限。钳位电路应放置在保护器件附近，并选择适当的尺寸，以处理到达PoE电路的电压和电流。