保护以太网供电 （PoE / PoE++） 通信

本文是“保护您的端口！ 保持通信连接的顶级设计技巧“系列来自 Littelfuse。

在信息通道上的数据端口之间发送和接收信息是数据通信系统设计的主要目标。 此外，通信系统需要可靠，以便它们能够始终正常运行，确保关键数据不会丢失或中断。 为了开发鲁棒可靠的通信系统，设计人员需要考虑外部环境对其数据端口的影响。 雷电、静电放电 （ESD）、过电流浪涌和过电压瞬变等干扰会损坏通信集成电路 （IC）。

设计人员面临的挑战是在不影响电路性能、保持设计尺寸要求和控制成本的情况下，将针对这些干扰的保护融入他们的设计中。 本文是三篇系列文章中的第一篇，将通过为数据端口设计提供保护方案来帮助电子设计工程师克服这些挑战。

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

PoE 是一种在以太网电缆上传输电力和数据的传输技术。 单根电缆可为互联网协议语音 (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。 PoE 的 IEEE 标准是 802.3，自 2003 年以来一直在发展，以支持使用更高的功率。

表 1 显示了 IEEE 标准 802.3 的原始版本和后续版本，以适应更高功率的传输。

表 1. IEEE 802.3 标准的演变以实现更高功率的传输

该标准的2018年演变，802.3bt，通常称为PoE ++，允许数据线上的最大功率为90 W和高达960 mA的电流。 此外，该标准允许以太网传输速率可以达到10 Gbps，10GBASE-T。 但是，将电源与低压数字信号包括在内，需要保护PoE电路免受电流过载和电压瞬变的影响，例如雷电，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 展示了一个 PoE++ 设计示例，包括推荐的电流过载保护和瞬态电压保护保护组件。 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） 电路和用电设备 （PD） 控制器。

**图1. ** 推荐用于 PoE++ 协议电路的保护组件

建议使用保险丝来保护八条数据线中的每一条免受电流过载的影响。 考虑使用慢熔断保险丝，以避免由于开关电源或雷电浪涌而导致的电流浪涌导致令人讨厌的关断。 保险丝可以帮助避免的另一个情况是由于接线不正确或电源线短路而导致的损坏。 确保您选择的保险丝符合 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。

寻找分断额定值高达 100 A 的保险丝，以便即使在最坏情况下过载条件下保险丝也能打开且不会蒸发。 符合参考标准的保险丝可以在大约一秒钟内断开，达到 250% 的过载。 为了实现PCB的高效组装，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，使用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 SIDACtor，®是撬棍型器件，具有低导通状态电压和吸收瞬态高电流的能力。

保护晶闸管的版本可以：

• 撬棍瞬态电压低至 6 V
• 吸收高达 200 A 的浪涌电流
• 最小化电压过冲
• 具有约 100 pF 的低电容
• 吸收任一极性瞬态
• 避免因多次浪涌事件而降级。

保险丝与保护晶闸管相结合，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变是 ESD 冲击、电缆放电事件和数据线上的电气快速瞬变。 瞬态电压抑制器（TVS）二极管阵列可以提供必要的保护。 为了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，用于保护具有双向二极管对的以太网物理层（PHY）电路，以及用于额外箝位保护的齐纳二极管

使用 TVS 二极管阵列的好处包括：

• ESD 保护，冲击高达 ±30 kV
• 吸收高达 1000 W 脉冲功率或高达 45 A 峰值电流的瞬变
• 最小化信号失真，每个引脚接地仅 2.5 pF
• 低功耗，0.5 μA
• 节省空间的μDFN-10表面贴装封装。

保护用电设备 （PD） 控制器

PD 控制器是一种 DC/DC 转换器，可提供直流电源为设备供电。 AC/DC 整流器电路显示在单独的电路块中。 整流器电路直接与来自 RJ45 连接器的输入信号接口。 为了保护整流电路免受电压瞬变的影响，建议在输入线路上使用双向TVS二极管。 这些串联二极管对的版本能够吸收高达 1500 W 的脉冲功率或 200 A 的浪涌电流。 TVS 二极管对瞬变的响应非常快，响应时间小于 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。

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二极管完成对PD控制器的保护。 您需要根据电路设计选择合适的钳位电压。 该组件将提供对瞬态的快速响应。

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 网络最多只能承载 15.4 W 或 350 mA。 在这里，建议使用2通道TVS二极管阵列保护PHY免受有害ESD事件的影响。

图 3（左侧框图）详细介绍了一个示例 PoE 网络，并显示了以太网 PHY 芯片组输入/输出线路上的 TVS 二极管阵列。

***图3. *用于保护 PoE 室内和室外电路的推荐组件

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。

***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

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的封装。 此外，寻找漏电流低（例如小于1 μA）的TVS二极管阵列。

在室外环境中保护 PoE 网络

室外对电子产品来说是一个比室内更恶劣的环境。 电源交叉导致过流故障的风险更高，雷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。 图 3 右侧显示了一个示例。 对于这种具有挑战性的环境，除了保险丝外，还应在 I/O 线路上放置气体放电管。 气体放电管提供撬棍保护，防止雷击或其他危险瞬变。 气体放电管具有以下特性：

• 吸收和承受高达 1000 A 的电流浪涌的能力
• 低电容，< 1 pF，与元件两端施加的电压无关
• 具有表面贴装封装的版本。

请注意，保险丝和气体放电管组合应满足 PoE++ 标准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。 对于室外环境PoE电路，请考虑更高功率的TVS二极管阵列。 一种更高功率的TVS二极管阵列是图5所示的2通道元件。

图5. 双通道TVS二极管瞬态保护器的引脚和功能框图

像这样的组件能够吸收 3000 W 的瞬态功率或 150 A 的浪涌电流。 内部齐纳二极管在整个组件上提供瞬态保护，内部抑制二极管在各个通道上提供差分瞬态保护。

稳健设计的价值

在通信系统设计中包括过载保护将防止故障造成破坏性的环境干扰。 降低服务成本和提高产品质量声誉的好处远远超过在产品设计中添加附加组件的低成本。

如果将保护作为初始设计定义的一部分而不是事后的想法，则开发时间将受到最小的影响。 此外，在设计和选择保护组件时，您可以利用制造商的专业知识节省宝贵的开发时间。 制造商可以通过具有成本效益并提供最低拥有成本的解决方案提供帮助。 您产品的高质量声誉将增加您公司的收入并带来更高的盈利能力。 您的价值也将得到提升。