在信息通道上的數(shù)據(jù)端口之間傳輸和接收信息是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計的主要目標。此外，通信系統(tǒng)需要可靠，以便它們可以始終正常運行，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會丟失或中斷。為了開發(fā)穩(wěn)健可靠的通信系統(tǒng)，設(shè)計人員需要考慮外部環(huán)境對其數(shù)據(jù)端口的影響。閃電、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(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是在他們的設(shè)計中加入針對這些干擾的保護，同時又不影響其電路的性能、保持設(shè)計的尺寸要求并控制其成本。本文是三篇系列文章中的第一篇，將通過為他們的數(shù)據(jù)端口設(shè)計提供保護方案來幫助電子設(shè)計工程師克服這些挑戰(zhàn)。

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

PoE 是一種傳輸技術(shù)，可在以太網(wǎng)電纜上傳輸電力和數(shù)據(jù)。單根電纜為設(shè)備提供電源和數(shù)據(jù)，例如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音 (VOIP) 電話、使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的安全攝像頭、無線接入點、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡路由器和工業(yè)控制系統(tǒng)。PoE 的 IEEE 標準是 802.3，自 2003 年以來一直在發(fā)展，以支持使用更高的功率。

表 1 顯示了 IEEE 標準 802.3 的原始和后續(xù)修訂版，以適應更高的功率傳輸。

表 1. IEEE 802.3 標準的演進以實現(xiàn)更高功率的傳輸

標準 802.3bt（通常稱為 PoE++）的 2018 年演進允許數(shù)據(jù)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(wǎng)傳輸速率可以達到 10 Gbps、10GBASE-T。然而，包含低電壓數(shù)字信號的電源要求保護 PoE 電路免受電流過載和電壓瞬變的影響，例如閃電、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 說明了一個 PoE++ 設(shè)計示例，包括推薦的用于電流過載保護和瞬態(tài)電壓保護的保護組件。RJ45 連接器和保護網(wǎng)絡之間的電路旨在保護以太網(wǎng)物理層 (PHY) 電路和受電設(shè)備 (PD) 控制器。

圖1 PoE++協(xié)議電路推薦保護元件

建議使用保險絲來保護 8 條數(shù)據(jù)線中的每一條免受電流過載的影響?？紤]使用慢熔保險絲，以避免因開關(guān)電源或雷擊浪涌引起的電流浪涌而導致停機。保險絲可以幫助避免的另一種情況是由于電源線接線錯誤或短路造成的損壞。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(guī)范等標準。滿足這些要求的保險絲的額定工作電流約為 2A 或更低。

尋找分斷額定值高達 100 A 的保險絲，以便保險絲即使在最壞的過載情況下也能斷開且不會汽化。符合參考標準的保險絲可以在大約 1 秒內(nèi)斷開，達到 250% 的過載。為了實現(xiàn) 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 SIDACtors?，是具有低通態(tài)電壓和吸收瞬變大電流能力的撬棒型器件。

保護晶閘管的版本可以：

• Crowbar 瞬態(tài)電壓低至 6 V
• 吸收高達 200 A 的浪涌電流
• 最小化電壓過沖
• 具有大約 100 pF 的低電容
• 吸收任一極性瞬變
• 避免因多次浪涌事件而導致性能下降。

與保護晶閘管相結(jié)合的熔斷器符合用于保護電信設(shè)備的全球監(jiān)管標準 GR 1080 和 IEC 62368-1。

保護以太網(wǎng)物理層芯片組

對于以太網(wǎng) PHY 芯片組，可能導致?lián)p壞的主要瞬變是 ESD 沖擊、電纜放電事件和數(shù)據(jù)線上的電氣快速瞬變。瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管陣列可以提供必要的保護。要保護所有 8 條數(shù)據(jù)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，用于保護帶有雙向二極管對的以太網(wǎng)物理層 (PHY) 電路和用于額外鉗位保護的齊納二極管

使用 TVS 二極管陣列的好處包括：

• ESD 保護以高達 ±30 kV 的沖擊
• 吸收高達 1000 W 脈沖功率或高達 45 A 峰值電流的瞬變
• 每個引腳對地僅 2.5 pF，最大限度地減少信號失真
• 0.5 μA 的低功耗
• 節(jié)省空間的 μDFN-10 表面貼裝封裝。

保護受電設(shè)備 (PD) 控制器

PD 控制器是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，提供直流電源為設(shè)備供電。AC/DC 整流器電路顯示在單獨的電路塊中。整流電路直接與來自 RJ45 連接器的輸入信號接口。為了保護整流器電路免受電壓瞬變的影響，建議在輸入線上使用雙向 TVS 二極管。這些串聯(lián)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 二極管對瞬態(tài)響應非常快，響應時間小于 1 ps。此外，它們的漏電流低于 1 μA，以最大限度地減少電路功耗。

通過整流器輸出端和PD控制器DC/DC電源輸入端的單向TVS二極管完成PD控制器的保護。您需要根據(jù)您的電路設(shè)計選擇合適的鉗位電壓。該組件將對瞬態(tài)提供快速響應。

保護建筑物中的 PoE 網(wǎng)絡

建筑物內(nèi)的 PoE 網(wǎng)絡是一種不太惡劣的環(huán)境；并且，PoE 網(wǎng)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(cè)框圖）詳細介紹了一個 PoE 網(wǎng)絡示例，并顯示了以太網(wǎng) PHY 芯片組輸入/輸出線上的 TVS 二極管陣列。

圖 3.用于保護 PoE 室內(nèi)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?？紤]使用能夠吸收高達 ±30 kV 的 ESD 沖擊和 40 A 范圍內(nèi)的電流浪涌的保護二極管陣列。

圖 4.用于以太網(wǎng) PHY 電路電壓瞬變保護的雙通道 TVS 二極管陣列 IC

為了最大限度地減少 Tx 和 Rx 信號的信號失真，尋找對地電容不超過 2 pF 的封裝。此外，尋找具有低漏電流（例如小于 1 μA）的 TVS 二極管陣列。

在室外環(huán)境中保護 PoE 網(wǎng)絡

對于電子產(chǎn)品而言，室外環(huán)境比室內(nèi)嚴酷得多。電源交叉導致過電流故障的風險更高，雷擊引起的浪涌事件的風險也更高。與 PoE++ 保護電路一樣，對于任何戶外和惡劣環(huán)境的 PoE 電路，建議在每條 I/O 線上使用延時保險絲，以防止電源交叉事件。圖 3 右側(cè)顯示了一個示例。對于這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，除了保險絲外，還應跨 I/O 線放置氣體放電管。氣體放電管提供短路保護，防止閃電或其他危險瞬變。氣體放電管具有以下特性：

• 吸收和承受高達 1000 A 電流浪涌的能力
• 低電容，< 1 pF，與施加在組件上的電壓無關(guān)
• 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++ 標準所述的所有監(jiān)管要求。

與其他電路一樣，TVS 二極管陣列可以保護以太網(wǎng) PHY 芯片組。對于室外環(huán)境 PoE 電路，請考慮使用更高功率的 TVS 二極管陣列。圖 5 中所示的 2 通道組件就是這樣一種更高功率的 TVS 二極管陣列。

圖 5.兩通道 TVS 二極管瞬變保護器的引腳和功能框圖

此類組件能夠吸收 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，內(nèi)部抑制二極管提供跨單個通道的差分瞬態(tài)保護。

穩(wěn)健設(shè)計的價值

在您的通信系統(tǒng)設(shè)計中加入過載保護將防止故障破壞環(huán)境干擾。降低服務成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量聲譽的好處遠遠超過添加到產(chǎn)品設(shè)計中的附加組件的小成本。

如果您將保護作為初始設(shè)計定義的一部分而不是事后考慮，您的開發(fā)時間將受到的影響最小。此外，您可以利用制造商的專業(yè)知識在設(shè)計和選擇保護組件時節(jié)省寶貴的開發(fā)時間。制造商可以幫助提供具有成本效益并提供最低擁有成本的解決方案。您產(chǎn)品的高質(zhì)量聲譽將提高您公司的收入并帶來更高的盈利能力。你的價值也會得到提升。