設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略靜電放電 （ESD） 和電源線感應(yīng)瞬變會(huì)影響未直接連接到交流電源線的電子電路。如果他們正在設(shè)計(jì)帶有通信鏈路的設(shè)備，他們需要確保數(shù)據(jù)端口電路始終可靠運(yùn)行。

在任何時(shí)候，發(fā)送器都必須發(fā)送未損壞的信息，而接收器需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并且不會(huì)增加額外的失真。設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)開發(fā)對(duì)可能損壞通信數(shù)據(jù)端口的環(huán)境影響具有魯棒性的電路來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。諸如閃電、ESD、過(guò)電流浪涌和過(guò)電壓瞬變之類的干擾可以通過(guò)電路傳播并損壞數(shù)據(jù)端口電路。

本文討論如何保護(hù)以太網(wǎng)供電 （PoE） 網(wǎng)絡(luò)。它是關(guān)于保護(hù)數(shù)據(jù)通信端口的三部分系列中的第一部分。剩下的兩篇文章將提供保護(hù)高速和低速通信端口的建議。

PoE 是一種通信技術(shù)，包括電源以及以太網(wǎng)電纜上的數(shù)據(jù)。單根電纜為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由器、使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的安全攝像頭、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音 （VOIP） 電話、無(wú)線接入點(diǎn)和工業(yè)控制系統(tǒng)等設(shè)備提供電力和數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3 定義了 PoE 通信協(xié)議，并且已經(jīng)發(fā)展到允許使用更高的功率。表 1 顯示了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的原始修訂版和后續(xù)修訂版，以適應(yīng)更高的功率傳輸。標(biāo)準(zhǔn) 802.3bt（稱為 PoE++）的 2018 年演進(jìn)允許最大功率為 90 W，數(shù)據(jù)線上的電流高達(dá) 960 mA。低功率設(shè)備可能不需要線路供電，因?yàn)?PoE++ 通道將提供所需的電源。此外，該標(biāo)準(zhǔn)允許以太網(wǎng)通信速率高達(dá) 10 Gbps、10GBASE-T。然而，引入低壓數(shù)字信號(hào)電源需要保護(hù) PoE 電路免受電流過(guò)載、包括閃電和 ESD 在內(nèi)的電壓瞬變以及交流電源線上可能發(fā)生的其他快速瞬變等條件的影響。

表 1. IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)現(xiàn)更高功率傳輸?shù)难葸M(jìn)

保護(hù) PoE++ 端口

圖 1 顯示了一個(gè)示例 PoE++ 設(shè)計(jì)，包括用于電流過(guò)載保護(hù)和瞬態(tài)電壓保護(hù)的推薦保護(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)受電設(shè)備 （PD） 控制器和以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路。

圖 1. PoE++ 協(xié)議電路：推薦的保護(hù)元件

考慮使用保險(xiǎn)絲來(lái)保護(hù) 8 條數(shù)據(jù)線中的每條線免受電流過(guò)載。慢熔保險(xiǎn)絲將避免由于為開關(guān)電源供電而引起的電流浪涌造成的令人討厭的停機(jī)。保險(xiǎn)絲可以幫助避免的另一種情況是由于錯(cuò)誤接線或短路電源線造成的損壞。確保保險(xiǎn)絲符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 Part 8 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?？紤]一個(gè)具有高達(dá) 100 A 的分?jǐn)囝~定值的保險(xiǎn)絲，這樣保險(xiǎn)絲即使在最壞的過(guò)載情況下也可以打開并且不會(huì)蒸發(fā)。符合參考標(biāo)準(zhǔn)的保險(xiǎn)絲在 250% 過(guò)載時(shí)可在大約一秒內(nèi)斷開。為了實(shí)現(xiàn) PC 板 （PCB） 的低成本組裝，

在隔離信號(hào)變壓器的中心抽頭上，我們建議使用接地的保護(hù)晶閘管來(lái)吸收和防止包括雷擊在內(nèi)的電壓瞬變通過(guò)信號(hào)變壓器。保護(hù)晶閘管，如 Littelfuse SIDACtors?，是具有低通態(tài)電壓的撬棒型器件，具有吸收瞬態(tài)高電流的能力。保護(hù)晶閘管的版本可以：

Crowbar 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

提供約 100 pF 的低電容

吸收任一極性瞬態(tài)

避免因多個(gè)浪涌事件而降級(jí)。

請(qǐng)注意，與保護(hù)晶閘管組合的保險(xiǎn)絲滿足保護(hù)電信設(shè)備的全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn) GR 1080 和 IEC 62368-1。

保護(hù)以太網(wǎng)物理層芯片組

數(shù)據(jù)線上的 ESD 沖擊、電纜放電事件和電氣快速瞬變是可能導(dǎo)致以太網(wǎng) PHY 芯片組損壞的主要瞬變。瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管陣列可以提供必要的保護(hù)。要保護(hù)所有 8 條數(shù)據(jù)線，請(qǐng)使用兩個(gè) 4 通道 TVS 二極管陣列（圖 2）。使用 TVS 二極管陣列的好處包括：

針對(duì)高達(dá) ±30 kV 沖擊的 ESD 保護(hù)

吸收高達(dá) 1000 W 脈沖功率或高達(dá) 45 A 峰值電流的瞬變

每個(gè)引腳接地僅 2.5 pF 將信號(hào)失真降至最低

0.5 μA 的低功耗

節(jié)省空間的 μDFN-10 表面貼裝封裝。

圖 2. 用于保護(hù)以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路的四通道 TVS 二極管陣列包含雙向二極管對(duì)和齊納二極管以提供更多鉗位保護(hù)

保護(hù)受電設(shè)備 （PD） 控制器

PD 控制器是一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可為 PoE++ 端口提供直流電源。單獨(dú)的電路塊顯示了 AC/DC 整流器電路。整流器電路與來(lái)自 RJ45 連接器的輸入信號(hào)連接。為了保護(hù)整流器電路免受電壓瞬變的影響，請(qǐng)?jiān)谳斎刖€上放置雙向 TVS 二極管。這些串聯(lián)二極管對(duì)的版本能夠吸收 200 A 的浪涌電流或高達(dá) 1500 W 的脈沖功率。TVS 二極管對(duì)瞬態(tài)的響應(yīng)時(shí)間非?？?，通常不到 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。

要完成 PD 控制器的保護(hù)，請(qǐng)?jiān)谡髌鞯妮敵龆撕?PD 控制器 DC/DC 電源的輸入端使用單向 TVS 二極管。TVS 二極管對(duì)瞬變提供快速響應(yīng)。根據(jù)電路設(shè)計(jì)中的半導(dǎo)體元件，選擇具有適當(dāng)鉗位電壓的 TVS 二極管。

保護(hù)建筑物中的 PoE 網(wǎng)絡(luò)

建筑物內(nèi)的 PoE 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不那么惡劣；并且，PoE 網(wǎng)絡(luò)最大只能承載 15.4 V 或 350 mA。對(duì)于此電路，請(qǐng)考慮使用 2 通道 TVS 二極管來(lái)保護(hù) PHY 免受有害 ESD 事件的影響。圖 3 左側(cè)的框圖詳細(xì)介紹了示例 PoE 網(wǎng)絡(luò)，并顯示了以太網(wǎng) PHY 芯片組的輸入/輸出線上的 TVS 二極管陣列。2 通道 TVS 二極管陣列示意圖如圖 4 所示。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。 Tx 和 Rx 信號(hào)，尋找對(duì)地電容不超過(guò) 2 pF 的 TVS 二極管陣列。此外，還要尋找漏電流低的 TVS 二極管陣列，例如漏電流低于 1 μA。

圖 3. PoE 室內(nèi)和室外電路：推薦的保護(hù)元件

圖 4. 用于以太網(wǎng) PHY 電路電壓瞬態(tài)保護(hù)的兩通道 TVS 二極管陣列 IC

保護(hù)室外環(huán)境中的 PoE 網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于電子產(chǎn)品而言，戶外環(huán)境比室內(nèi)環(huán)境惡劣得多。電源交叉導(dǎo)致過(guò)流故障的風(fēng)險(xiǎn)更高，并且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)于任何戶外和惡劣環(huán)境 PoE 電路，建議在每條 I/O 線路上使用延時(shí)保險(xiǎn)絲，以防止發(fā)生電源交叉事件。（參見圖 3 右側(cè)所示的示例。）由于環(huán)境具有挑戰(zhàn)性，除了保險(xiǎn)絲外，氣體放電管 （GDT） 還應(yīng)放置在 I/O 線路上。GDT 提供避雷針保護(hù)，防止雷擊或其他危險(xiǎn)瞬變。GDT 具有以下屬性：

吸收和承受高達(dá) 1000 A 電流浪涌的能力

低電容，《 1 pF，與施加在組件上的電壓無(wú)關(guān)

具有表面貼裝封裝的版本。

注意：保險(xiǎn)絲和 GDT 組合應(yīng)滿足 PoE++ 標(biāo)準(zhǔn)所述的所有監(jiān)管要求。

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。在室外環(huán)境 PoE 電路的情況下，考慮更高功率的 TVS 二極管陣列。2 通道組件就是這樣一種更高功率的 TVS 二極管陣列（圖 5）。這些二極管陣列能夠吸收 3000 W 的瞬態(tài)功率或 150 A 的浪涌電流。內(nèi)部齊納二極管為組件提供瞬態(tài)保護(hù)，內(nèi)部抑制二極管為各個(gè)通道提供差分瞬態(tài)保護(hù)。

圖 5a。兩通道 TVS 二極管陣列封裝引腳 圖 圖 5. 雙通道 TVS 二極管陣列瞬態(tài)保護(hù)器

5b。功能圖

穩(wěn)健設(shè)計(jì)的價(jià)值

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入過(guò)載保護(hù)可防止因環(huán)境引起的過(guò)載和瞬變而損壞電子電路。增加保護(hù)元件是有成本的；然而，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)了附加組件的低成本。在原始設(shè)計(jì)定義中包含保護(hù)要求，開發(fā)時(shí)間將受到微不足道的影響。如果由于認(rèn)證或合規(guī)性測(cè)試失敗而無(wú)需返工，甚至可以減少開發(fā)時(shí)間。此外，為了節(jié)省開發(fā)時(shí)間，請(qǐng)利用制造商的專業(yè)知識(shí)來(lái)幫助設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)組件。制造商可以提供具有成本效益并提供最低擁有成本的解決方案。一些制造商可以提供有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性的指導(dǎo)；并且，一些制造商可以執(zhí)行預(yù)合規(guī)性測(cè)試，以促進(jìn)產(chǎn)品獲得標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，而無(wú)需進(jìn)行多輪測(cè)試。具有高質(zhì)量聲譽(yù)的產(chǎn)品可以維持更高水平的盈利能力并增加收入。

審核編輯：郭婷