設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略靜電放電（ESD）和電源線引起的瞬變會(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)具有通信鏈路的設(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)射器都必須發(fā)送未損壞的信息，并且接收器需要解碼傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且不會(huì)增加額外的失真。設(shè)計(jì)人員需要通過開發(fā)能夠應(yīng)對(duì)可能損壞通信數(shù)據(jù)端口的環(huán)境影響的電路來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。雷電、ESD、過流浪涌和過壓瞬變等干擾可能會(huì)通過電路傳播并損壞數(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)。這是關(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。其余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)布線上的數(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)議的安全攝像機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音 （VOIP） 電話、無線接入點(diǎn)和工業(yè)控制系統(tǒng)等設(shè)備提供電源和數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3定義了PoE通信協(xié)議，并已發(fā)展到允許使用更高的功率。表1顯示了IEEE標(biāo)準(zhǔn)的原始和后續(xù)修訂版，以適應(yīng)更高的功率傳輸。2018年標(biāo)準(zhǔn)的802.3bt（稱為PoE ++）的演變?cè)试S數(shù)據(jù)線上的最大功率為90 W，電流高達(dá)960 mA。低功耗設(shè)備可能不需要線路供電電源，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，引入低電壓數(shù)字信號(hào)電源需要保護(hù)PoE電路免受電流過載、電壓瞬變（包括雷擊和ESD）以及交流電源線上可能發(fā)生的其他快速瞬變等情況的影響。

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所示為PoE++設(shè)計(jì)示例，包括推薦用于電流過載保護(hù)和瞬態(tài)電壓保護(hù)的保護(hù)元件。RJ45 連接器和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)之間的電路設(shè)計(jì)用于保護(hù)用電設(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)絲來保護(hù)八條數(shù)據(jù)線中的每條都免受電流過載的影響。慢速熔斷保險(xiǎn)絲可避免因開關(guān)電源供電而導(dǎo)致的電流浪涌造成的麻煩關(guān)斷。保險(xiǎn)絲可以幫助避免的另一種情況是由于電源線接線不正確或短路而造成的損壞。確保保險(xiǎn)絲符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 第 8 部分浪涌規(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。考慮一個(gè)中斷額定值高達(dá)100 A的保險(xiǎn)絲，這樣即使在最壞的過載條件下，保險(xiǎn)絲也可以打開而不會(huì)蒸發(fā)。符合參考標(biāo)準(zhǔn)的保險(xiǎn)絲可以在大約一秒鐘內(nèi)打開，達(dá)到250%的過載。為了實(shí)現(xiàn) PC 板 （PCB） 的低成本組裝，請(qǐng)選擇適合回流焊接的表面貼裝版本。

在隔離信號(hào)變壓器的中心抽頭上，我們建議使用連接到接地的保護(hù)晶閘管來吸收和防止電壓瞬變（包括雷擊）通過信號(hào)變壓器。保護(hù)晶閘管，如Littelfuse SIDACtors?，是撬棒型設(shè)備，具有低導(dǎo)通狀態(tài)電壓，能夠吸收瞬變產(chǎn)生的高電流。保護(hù)晶閘管的版本可以：

撬棒瞬態(tài)電壓低至 6 V

吸收高達(dá) 200 A 的浪涌電流

將電壓過沖降至最低

提供約 100 pF 的低電容

吸收任一極性瞬態(tài)

避免多次浪涌事件導(dǎo)致性能下降。

請(qǐng)注意，保險(xiǎn)絲與保護(hù)晶閘管相結(jié)合，符合保護(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 的沖擊提供 ESD 保護(hù)

吸收脈沖功率高達(dá) 1000 W 或峰值電流高達(dá) 45 A 的瞬變

信號(hào)失真最小，每個(gè)引腳對(duì)地速率僅為 2.5 pF

低功耗，0.5 μA

節(jié)省空間的 μDFN-10 表面貼裝封裝。

圖 2.四通道 TVS 二極管陣列，用于保護(hù)包含雙向二極管對(duì)的以太網(wǎng)物理層 （PHY） 電路和齊納二極管，以提供更多的鉗位保護(hù)

保護(hù)用電設(shè)備 （PD） 控制器

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

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 二極管提供對(duì)瞬變的快速響應(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)箝位電壓的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)是一個(gè)不太惡劣的環(huán)境;而且，PoE網(wǎng)絡(luò)的最大輸出功率僅為15.4 V或350 mA。對(duì)于本電路，考慮使用2通道TVS二極管來保護(hù)PHY免受有害ESD事件的影響。圖3左側(cè)的框圖詳細(xì)介紹了一個(gè)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。圖4所示為2通道TVS二極管陣列原理圖。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。為了最大限度地減少Tx和Rx信號(hào)的信號(hào)失真，請(qǐng)尋找對(duì)地電容不超過2 pF的TVS二極管陣列。此外，尋找具有低漏電流（例如漏電流低于1 μA）的TVS二極管陣列。

圖 3.PoE 室內(nèi)和室外電路：推薦的保護(hù)元件

圖 4.雙通道 TVS 二極管陣列 IC，用于以太網(wǎng) PHY 電路的電壓瞬態(tài)保護(hù)

在室外環(huán)境中保護(hù) PoE 網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于電子產(chǎn)品來說，室外環(huán)境比室內(nèi)環(huán)境要嚴(yán)重得多。功率交叉導(dǎo)致過流故障的風(fēng)險(xiǎn)更高，閃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)于任何室外和惡劣環(huán)境的 PoE 電路，建議在每條 I/O 線路上使用延時(shí)保險(xiǎn)絲，以防止電源交叉事件。（請(qǐng)參閱圖 3 右側(cè)顯示的示例。由于環(huán)境具有挑戰(zhàn)性，除了保險(xiǎn)絲外，還應(yīng)在I/O線路上放置氣體放電管（GDT）。GDT 提供撬棍保護(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 的電流浪涌的能力

低電容，《 1 pF，與施加在元件上的電壓無關(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)中所述的所有法規(guī)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。在戶外環(huán)境PoE電路的情況下，考慮使用更高功率的TVS二極管陣列。TVS二極管陣列就是2通道元件（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)部齊納二極管在組件上提供瞬態(tài)保護(hù)，內(nèi)部抑制二極管在各個(gè)通道之間提供差分瞬態(tài)保護(hù)。

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

5b.功能示意圖

穩(wěn)健設(shè)計(jì)的價(jià)值

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入過載保護(hù)，可防止因環(huán)境引起的過載和瞬變而損壞電子電路。添加保護(hù)組件需要付費(fèi);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)試失敗而不需要返工，則開發(fā)時(shí)間甚至可能減少。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)來協(xié)助設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)組件。制造商可以幫助提供具有成本效益的解決方案，并提供最低的擁有成本。一些制造商可以提供有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性的指導(dǎo);而且，一些制造商可以執(zhí)行預(yù)合規(guī)測(cè)試，以促進(jìn)產(chǎn)品獲得標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，而無需多輪測(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