保護以太網供電 （PoE / PoE++） 通信

本文是“保護您的端口！ 保持通信連接的頂級設計技巧“系列來自 Littelfuse。

在信息通道上的數據端口之間發送和接收信息是數據通信系統設計的主要目標。 此外，通信系統需要可靠，以便它們能夠始終正常運行，確保關鍵數據不會丟失或中斷。 為了開發魯棒可靠的通信系統，設計人員需要考慮外部環境對其數據端口的影響。 雷電、靜電放電 （ESD）、過電流浪涌和過電壓瞬變等干擾會損壞通信集成電路 （IC）。

設計人員面臨的挑戰是在不影響電路性能、保持設計尺寸要求和控制成本的情況下，將針對這些干擾的保護融入他們的設計中。 本文是三篇系列文章中的第一篇，將通過為數據端口設計提供保護方案來幫助電子設計工程師克服這些挑戰。

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

PoE 是一種在以太網電纜上傳輸電力和數據的傳輸技術。 單根電纜可為互聯網協議語音 (VOIP) 電話、使用互聯網協議的安全攝像頭、無線接入點、數據中心網絡路由器和工業控制系統等設備提供電力和數據。 PoE 的 IEEE 標準是 802.3，自 2003 年以來一直在發展，以支持使用更高的功率。

表 1 顯示了 IEEE 標準 802.3 的原始版本和后續版本，以適應更高功率的傳輸。

表 1. IEEE 802.3 標準的演變以實現更高功率的傳輸

該標準的2018年演變，802.3bt，通常稱為PoE ++，允許數據線上的最大功率為90 W和高達960 mA的電流。 此外，該標準允許以太網傳輸速率可以達到10 Gbps，10GBASE-T。 但是，將電源與低壓數字信號包括在內，需要保護PoE電路免受電流過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 PoE++ 端口

圖 1 展示了一個 PoE++ 設計示例，包括推薦的電流過載保護和瞬態電壓保護保護組件。 RJ45 連接器和保護網絡之間的電路旨在保護以太網物理層 （PHY） 電路和用電設備 （PD） 控制器。

**圖1. ** 推薦用于 PoE++ 協議電路的保護組件

建議使用保險絲來保護八條數據線中的每一條免受電流過載的影響。 考慮使用慢熔斷保險絲，以避免由于開關電源或雷電浪涌而導致的電流浪涌導致令人討厭的關斷。 保險絲可以幫助避免的另一個情況是由于接線不正確或電源線短路而導致的損壞。 確保您選擇的保險絲符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 第 8 部分浪涌規范等標準。 滿足這些要求的保險絲的工作電流額定值約為 2A 或更低。

尋找分斷額定值高達 100 A 的保險絲，以便即使在最壞情況下過載條件下保險絲也能打開且不會蒸發。 符合參考標準的保險絲可以在大約一秒鐘內斷開，達到 250% 的過載。 為了實現PCB的高效組裝，請選擇適合回流焊接的表面貼裝版本。

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

保護晶閘管的版本可以：

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

保險絲與保護晶閘管相結合，符合全球監管標準 GR 1080 和 IEC 62368-1，用于保護電信設備。

保護以太網物理層芯片組

對于以太網 PHY 芯片組，可能導致損壞的主要瞬變是 ESD 沖擊、電纜放電事件和數據線上的電氣快速瞬變。 瞬態電壓抑制器（TVS）二極管陣列可以提供必要的保護。 為了保護所有八條數據線，請使用兩個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，用于保護具有雙向二極管對的以太網物理層（PHY）電路，以及用于額外箝位保護的齊納二極管

使用 TVS 二極管陣列的好處包括：

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

保護用電設備 （PD） 控制器

PD 控制器是一種 DC/DC 轉換器，可提供直流電源為設備供電。 AC/DC 整流器電路顯示在單獨的電路塊中。 整流器電路直接與來自 RJ45 連接器的輸入信號接口。 為了保護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。 這些串聯二極管對的版本能夠吸收高達 1500 W 的脈沖功率或 200 A 的浪涌電流。 TVS 二極管對瞬變的響應非?？?，響應時間小于 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PD控制器的保護。 您需要根據電路設計選擇合適的鉗位電壓。 該組件將提供對瞬態的快速響應。

保護建筑物中的 PoE 網絡

建筑物內的PoE網絡是一個不太惡劣的環境; 而且，PoE 網絡最多只能承載 15.4 W 或 350 mA。 在這里，建議使用2通道TVS二極管陣列保護PHY免受有害ESD事件的影響。

圖 3（左側框圖）詳細介紹了一個示例 PoE 網絡，并顯示了以太網 PHY 芯片組輸入/輸出線路上的 TVS 二極管陣列。

***圖3. *用于保護 PoE 室內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 ±30 kV 的 ESD 沖擊和 40 A 范圍內的電流浪涌的保護二極管陣列。

***圖4. *雙通道TVS二極管陣列IC，用于以太網PHY電路的電壓瞬態保護

為了最大限度地減少Tx和Rx信號的信號失真，請尋找對地電容不超過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。

在室外環境中保護 PoE 網絡

室外對電子產品來說是一個比室內更惡劣的環境。 電源交叉導致過流故障的風險更高，雷電引起的浪涌事件的風險也更高。 與 PoE++ 保護電路一樣，對于任何室外和惡劣環境的 PoE 電路，建議在每條 I/O 線路上使用延時保險絲，以防止電源交叉事件。 圖 3 右側顯示了一個示例。 對于這種具有挑戰性的環境，除了保險絲外，還應在 I/O 線路上放置氣體放電管。 氣體放電管提供撬棍保護，防止雷擊或其他危險瞬變。 氣體放電管具有以下特性：

• 吸收和承受高達 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關
• 具有表面貼裝封裝的版本。

請注意，保險絲和氣體放電管組合應滿足 PoE++ 標準所述的所有法規要求。

與其他電路一樣，TVS二極管陣列可以保護以太網PHY芯片組。 對于室外環境PoE電路，請考慮更高功率的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二極管瞬態保護器的引腳和功能框圖

像這樣的組件能夠吸收 3000 W 的瞬態功率或 150 A 的浪涌電流。 內部齊納二極管在整個組件上提供瞬態保護，內部抑制二極管在各個通道上提供差分瞬態保護。

穩健設計的價值

在通信系統設計中包括過載保護將防止故障造成破壞性的環境干擾。 降低服務成本和提高產品質量聲譽的好處遠遠超過在產品設計中添加附加組件的低成本。

如果將保護作為初始設計定義的一部分而不是事后的想法，則開發時間將受到最小的影響。 此外，在設計和選擇保護組件時，您可以利用制造商的專業知識節省寶貴的開發時間。 制造商可以通過具有成本效益并提供最低擁有成本的解決方案提供幫助。 您產品的高質量聲譽將增加您公司的收入并帶來更高的盈利能力。 您的價值也將得到提升。