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(jì)的主要目標(biāo)。此外，通信系統(tǒng)需要可靠，以便它們可以始終正常運(yùn)行，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會(huì)丟失或中斷。為了開(kāi)發(fā)穩(wěn)健可靠的通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員需要考慮外部環(huán)境對(duì)其數(shù)據(jù)端口的影響。閃電、靜電放電 (ESD)、過(guò)電流浪涌和過(guò)電壓瞬變等干擾會(huì)損壞通信集成電路 (IC)。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是在他們的設(shè)計(jì)中加入針對(duì)這些干擾的保護(hù)，同時(shí)又不影響其電路的性能、保持設(shè)計(jì)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(guò)為他們的數(shù)據(jù)端口設(shè)計(jì)提供保護(hù)方案來(lái)幫助電子設(shè)計(jì)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(hù)建議。第二和第三部分將涵蓋保護(hù)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(yǔ)音 (VOIP) 電話、使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的安全攝像頭、無(wú)線接入點(diǎn)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)路由器和工業(yè)控制系統(tǒng)。PoE 的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)是 802.3，自 2003 年以來(lái)一直在發(fā)展，以支持使用更高的功率。

表 1 顯示了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.3 的原始和后續(xù)修訂版，以適應(yīng)更高的功率傳輸。

表 1. IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)以實(shí)現(xiàn)更高功率的傳輸

標(biāo)準(zhǔn) 802.3bt（通常稱為 PoE++）的 2018 年演進(jìn)允許數(shù)據(jù)線上的最大功率為 90 W 和高達(dá) 960 mA 的電流。此外，該標(biāo)準(zhǔn)允許以太網(wǎng)傳輸速率可以達(dá)到 10 Gbps、10GBASE-T。然而，包含低電壓數(shù)字信號(hào)的電源要求保護(hù) PoE 電路免受電流過(guò)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(hù) PoE++ 端口

圖 1 說(shuō)明了一個(gè) PoE++ 設(shè)計(jì)示例，包括推薦的用于電流過(guò)載保護(hù)和瞬態(tài)電壓保護(hù)的保護(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)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(hù)元件

建議使用保險(xiǎn)絲來(lái)保護(hù) 8 條數(shù)據(jù)線中的每一條免受電流過(guò)載的影響?？紤]使用慢熔保險(xiǎn)絲，以避免因開(kāi)關(guān)電源或雷擊浪涌引起的電流浪涌而導(dǎo)致停機(jī)。保險(xiǎn)絲可以幫助避免的另一種情況是由于電源線接線錯(cuò)誤或短路造成的損壞。確保您選擇的保險(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)絲的額定工作電流約為 2A 或更低。

尋找分?jǐn)囝~定值高達(dá) 100 A 的保險(xiǎn)絲，以便保險(xiǎn)絲即使在最壞的過(guò)載情況下也能斷開(kāi)且不會(huì)汽化。符合參考標(biāo)準(zhǔn)的保險(xiǎn)絲可以在大約 1 秒內(nèi)斷開(kāi)，達(dá)到 250% 的過(guò)載。為了實(shí)現(xiàn) PCB 的高效組裝，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，使用接地的保護(hù)晶閘管來(lái)吸收和防止電壓瞬變（包括雷擊）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)電壓和吸收瞬變大電流能力的撬棒型器件。

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
• 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(dǎo)致性能下降。

與保護(hù)晶閘管相結(jié)合的熔斷器符合用于保護(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

對(duì)于以太網(wǎng) PHY 芯片組，可能導(dǎo)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(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，如圖 2 所示。

圖 2.四通道 TVS 二極管陣列 IC，用于保護(hù)帶有雙向二極管對(duì)的以太網(wǎng)物理層 (PHY) 電路和用于額外鉗位保護(hù)的齊納二極管

使用 TVS 二極管陣列的好處包括：

• ESD 保護(hù)以高達(dá) ±30 kV 的沖擊
• 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)引腳對(duì)地僅 2.5 pF，最大限度地減少信號(hào)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(hù)受電設(shè)備 (PD) 控制器

PD 控制器是一個(gè) 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(dú)的電路塊中。整流電路直接與來(lái)自 RJ45 連接器的輸入信號(hào)接口。為了保護(hù)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(duì)的版本能夠吸收高達(dá) 1500 W 的脈沖功率或 200 A 的浪涌電流。TVS 二極管對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)非?？?，響應(yīng)時(shí)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(guò)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(hù)。您需要根據(jù)您的電路設(shè)計(jì)選擇合適的鉗位電壓。該組件將對(duì)瞬態(tài)提供快速響應(yīng)。

保護(hù)建筑物中的 PoE 網(wǎng)絡(luò)

建筑物內(nèi)的 PoE 網(wǎng)絡(luò)是一種不太惡劣的環(huán)境；并且，PoE 網(wǎng)絡(luò)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(hù) PHY 免受有害 ESD 事件的影響。

圖 3（左側(cè)框圖）詳細(xì)介紹了一個(gè) PoE 網(wǎng)絡(luò)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(hù) 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(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。

圖 4.用于以太網(wǎng) PHY 電路電壓瞬變保護(hù)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(hào)的信號(hào)失真，尋找對(duì)地電容不超過(guò) 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(hù) PoE 網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于電子產(chǎn)品而言，室外環(huán)境比室內(nèi)嚴(yán)酷得多。電源交叉導(dǎo)致過(guò)電流故障的風(fēng)險(xiǎn)更高，雷擊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)境的 PoE 電路，建議在每條 I/O 線上使用延時(shí)保險(xiǎn)絲，以防止電源交叉事件。圖 3 右側(cè)顯示了一個(gè)示例。對(duì)于這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，除了保險(xiǎn)絲外，還應(yīng)跨 I/O 線放置氣體放電管。氣體放電管提供短路保護(hù)，防止閃電或其他危險(xiǎn)瞬變。氣體放電管具有以下特性：

• 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。

請(qǐng)注意，保險(xiǎn)絲和氣體放電管組合應(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。對(duì)于室外環(huán)境 PoE 電路，請(qǐng)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(hù)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(hù)，內(nèi)部抑制二極管提供跨單個(gè)通道的差分瞬態(tài)保護(hù)。

穩(wěn)健設(shè)計(jì)的價(jià)值

在您的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入過(guò)載保護(hù)將防止故障破壞環(huán)境干擾。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)添加到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的附加組件的小成本。

如果您將保護(hù)作為初始設(shè)計(jì)定義的一部分而不是事后考慮，您的開(kāi)發(fā)時(shí)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(shí)在設(shè)計(jì)和選擇保護(hù)組件時(shí)節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)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(yù)將提高您公司的收入并帶來(lái)更高的盈利能力。你的價(jià)值也會(huì)得到提升。