如何保护以太网供电网络

设计人员经常忽略静电放电（ESD）和电源线引起的瞬变会影响未直接连接到交流电源线的电子电路。如果他们正在设计具有通信链路的设备，他们需要确保数据端口电路始终可靠运行。

在任何时候，发射器都必须发送未损坏的信息，并且接收器需要解码传输的数据，并且不会增加额外的失真。设计人员需要通过开发能够应对可能损坏通信数据端口的环境影响的电路来应对这些挑战。雷电、ESD、过流浪涌和过压瞬变等干扰可能会通过电路传播并损坏数据端口电路。

本文讨论如何保护以太网供电 （PoE） 网络。这是关于保护数据通信端口的三部分系列中的第一部分。其余两篇文章将提供保护高速和低速通信端口的建议。

PoE是一种通信技术，包括电源以及以太网布线上的数据。单根电缆为数据中心网络路由器、使用互联网协议的安全摄像机、互联网协议语音 （VOIP） 电话、无线接入点和工业控制系统等设备提供电源和数据。标准IEEE 802.3定义了PoE通信协议，并已发展到允许使用更高的功率。表1显示了IEEE标准的原始和后续修订版，以适应更高的功率传输。2018年标准的802.3bt（称为PoE ++）的演变允许数据线上的最大功率为90 W，电流高达960 mA。低功耗设备可能不需要线路供电电源，因为 PoE++ 通道将提供所需的电源。此外，该标准允许以太网通信速率高达10 Gbps，10GBASE-T。然而，引入低电压数字信号电源需要保护PoE电路免受电流过载、电压瞬变（包括雷击和ESD）以及交流电源线上可能发生的其他快速瞬变等情况的影响。

表 1.IEEE 802.3 标准：实现更高功率传输的演进

保护 PoE++ 端口

图1所示为PoE++设计示例，包括推荐用于电流过载保护和瞬态电压保护的保护元件。RJ45 连接器和保护网络之间的电路设计用于保护用电设备 （PD） 控制器和以太网物理层 （PHY） 电路。

图 1.PoE++ 协议电路：推荐的保护元件

考虑使用保险丝来保护八条数据线中的每条都免受电流过载的影响。慢速熔断保险丝可避免因开关电源供电而导致的电流浪涌造成的麻烦关断。保险丝可以帮助避免的另一种情况是由于电源线接线不正确或短路而造成的损坏。确保保险丝符合 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工作电流额定值约为2A或更低。考虑一个中断额定值高达100 A的保险丝，这样即使在最坏的过载条件下，保险丝也可以打开而不会蒸发。符合参考标准的保险丝可以在大约一秒钟内打开，达到250%的过载。为了实现 PC 板 （PCB） 的低成本组装，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，我们建议使用连接到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®，是撬棒型设备，具有低导通状态电压，能够吸收瞬变产生的高电流。保护晶闸管的版本可以：

撬棒瞬态电压低至 6 V

吸收高达 200 A 的浪涌电流

将电压过冲降至最低

提供约 100 pF 的低电容

吸收任一极性瞬态

避免多次浪涌事件导致性能下降。

请注意，保险丝与保护晶闸管相结合，符合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

数据线上的ESD冲击、电缆放电事件和电气快速瞬变是可能导致以太网PHY芯片组损坏的主要瞬变。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（图2）。使用TVS二极管阵列的好处包括：

针对高达 ±30 kV 的冲击提供 ESD 保护

吸收脉冲功率高达 1000 W 或峰值电流高达 45 A 的瞬变

信号失真最小，每个引脚对地速率仅为 2.5 pF

低功耗，0.5 μA

节省空间的 μDFN-10 表面贴装封装。

图 2.四通道 TVS 二极管阵列，用于保护包含双向二极管对的以太网物理层 （PHY） 电路和齐纳二极管，以提供更多的钳位保护

保护用电设备 （PD） 控制器

PD 控制器是一个直流/直流转换器，为 PoE++ 端口供电提供直流电源。单独的电路块显示 AC/DC 整流器电路。整流器电路与来自 RJ45 连接器的输入信号连接。为了保护整流电路免受电压瞬变的影响，请在输入线路上放置双向TVS二极管。这些串联二极管对的版本能够吸收 200 A 或高达 1500 W 的脉冲功率浪涌电流。TVS二极管对瞬变的响应时间非常快，通常小于1 ps。此外，它们的漏电流低于1 μA，以最大限度地降低电路功耗。

要完成 PD 控制器的保护，请在整流器的输出端和 PD 控制器 DC/DC 电源的输入端使用单向 TVS 二极管。TVS 二极管提供对瞬变的快速响应。根据电路设计中的半导体元件选择具有适当箝位电压的TVS二极管。

保护建筑物中的 PoE 网络

建筑物内的PoE网络是一个不太恶劣的环境;而且，PoE网络的最大输出功率仅为15.4 V或350 mA。对于本电路，考虑使用2通道TVS二极管来保护PHY免受有害ESD事件的影响。图3左侧的框图详细介绍了一个示例PoE网络，并显示了以太网PHY芯片组的输入/输出线上的TVS二极管阵列。图4所示为2通道TVS二极管阵列原理图。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。为了最大限度地减少Tx和Rx信号的信号失真，请寻找对地电容不超过2 pF的TVS二极管阵列。此外，寻找具有低漏电流（例如漏电流低于1 μA）的TVS二极管阵列。

图 3.PoE 室内和室外电路：推荐的保护元件

图 4.双通道 TVS 二极管阵列 IC，用于以太网 PHY 电路的电压瞬态保护

在室外环境中保护 PoE 网络

对于电子产品来说，室外环境比室内环境要严重得多。功率交叉导致过流故障的风险更高，闪电引起的浪涌事件的风险也更高。与 PoE++ 保护电路一样，对于任何室外和恶劣环境的 PoE 电路，建议在每条 I/O 线路上使用延时保险丝，以防止电源交叉事件。（请参阅图 3 右侧显示的示例。由于环境具有挑战性，除了保险丝外，还应在I/O线路上放置气体放电管（GDT）。GDT 提供撬棍保护，防止雷击或其他危险瞬变。GDT 具有以下属性：

吸收和承受高达 1000 A 的电流浪涌的能力

低电容，《 1 pF，与施加在元件上的电压无关

具有表面贴装封装的版本。

注意： 保险丝和 GDT 组合应满足 PoE++ 标准中所述的所有法规要求。

与其他电路一样，TVS二极管阵列可以保护以太网PHY芯片组。在户外环境PoE电路的情况下，考虑使用更高功率的TVS二极管阵列。TVS二极管阵列就是2通道元件（图5）。这些二极管阵列能够吸收 3000 W 的瞬态功率或 150 A 的浪涌电流。内部齐纳二极管在组件上提供瞬态保护，内部抑制二极管在各个通道之间提供差分瞬态保护。

图 5a. 双通道 TVS 二极管阵列封装引脚排列图 5。双通道TVS二极管阵列瞬态保护器

5b.功能示意图

稳健设计的价值

在通信系统设计中加入过载保护，可防止因环境引起的过载和瞬变而损坏电子电路。添加保护组件需要付费;然而，降低服务成本和提高产品质量声誉的好处远远超过附加组件的低成本。在原始设计定义中包含保护要求，开发时间将受到微不足道的影响。如果由于认证或合规性测试失败而不需要返工，则开发时间甚至可能减少。此外，为了节省开发时间，请利用制造商的专业知识来协助设计和选择保护组件。制造商可以帮助提供具有成本效益的解决方案，并提供最低的拥有成本。一些制造商可以提供有关标准合规性的指导;而且，一些制造商可以执行预合规测试，以促进产品获得标准机构的批准，而无需多轮测试。具有高质量声誉的产品可以维持更高水平的盈利能力并增加收入。

审核编辑：郭婷