設計人員經常忽略靜電放電 （ESD） 和電源線感應瞬變會影響未直接連接到交流電源線的電子電路。如果他們正在設計帶有通信鏈路的設備，他們需要確保數據端口電路始終可靠運行。

在任何時候，發送器都必須發送未損壞的信息，而接收器需要對傳輸的數據進行解碼，并且不會增加額外的失真。設計人員需要通過開發對可能損壞通信數據端口的環境影響具有魯棒性的電路來應對這些挑戰。諸如閃電、ESD、過電流浪涌和過電壓瞬變之類的干擾可以通過電路傳播并損壞數據端口電路。

本文討論如何保護以太網供電 （PoE） 網絡。它是關于保護數據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高速和低速通信端口的建議。

PoE 是一種通信技術，包括電源以及以太網電纜上的數據。單根電纜為數據中心網絡路由器、使用互聯網協議的安全攝像頭、互聯網協議語音 （VOIP） 電話、無線接入點和工業控制系統等設備提供電力和數據。標準 IEEE 802.3 定義了 PoE 通信協議，并且已經發展到允許使用更高的功率。表 1 顯示了 IEEE 標準的原始修訂版和后續修訂版，以適應更高的功率傳輸。標準 802.3bt（稱為 PoE++）的 2018 年演進允許最大功率為 90 W，數據線上的電流高達 960 mA。低功率設備可能不需要線路供電，因為 PoE++ 通道將提供所需的電源。此外，該標準允許以太網通信速率高達 10 Gbps、10GBASE-T。然而，引入低壓數字信號電源需要保護 PoE 電路免受電流過載、包括閃電和 ESD 在內的電壓瞬變以及交流電源線上可能發生的其他快速瞬變等條件的影響。

表 1. IEEE 802.3 標準：實現更高功率傳輸的演進

保護 PoE++ 端口

圖 1 顯示了一個示例 PoE++ 設計，包括用于電流過載保護和瞬態電壓保護的推薦保護組件。RJ45 連接器和保護網絡之間的電路旨在保護受電設備 （PD） 控制器和以太網物理層 （PHY） 電路。

圖 1. PoE++ 協議電路：推薦的保護元件

考慮使用保險絲來保護 8 條數據線中的每條線免受電流過載。慢熔保險絲將避免由于為開關電源供電而引起的電流浪涌造成的令人討厭的停機。保險絲可以幫助避免的另一種情況是由于錯誤接線或短路電源線造成的損壞。確保保險絲符合 IEC 62368-1、Telcordia GR-1089 和 FCC 47 Part 8 浪涌規范等標準。滿足這些要求的保險絲的工作電流額定值約為 2A 或更低。考慮一個具有高達 100 A 的分斷額定值的保險絲，這樣保險絲即使在最壞的過載情況下也可以打開并且不會蒸發。符合參考標準的保險絲在 250% 過載時可在大約一秒內斷開。為了實現 PC 板 （PCB） 的低成本組裝，

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

Crowbar 瞬態電壓低至 6 V

吸收高達 200 A 的浪涌電流

最小化電壓過沖

提供約 100 pF 的低電容

吸收任一極性瞬態

避免因多個浪涌事件而降級。

請注意，與保護晶閘管組合的保險絲滿足保護電信設備的全球監管標準 GR 1080 和 IEC 62368-1。

保護以太網物理層芯片組

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

針對高達 ±30 kV 沖擊的 ESD 保護

吸收高達 1000 W 脈沖功率或高達 45 A 峰值電流的瞬變

每個引腳接地僅 2.5 pF 將信號失真降至最低

0.5 μA 的低功耗

節省空間的 μDFN-10 表面貼裝封裝。

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

保護受電設備 （PD） 控制器

PD 控制器是一個 DC/DC 轉換器，可為 PoE++ 端口提供直流電源。單獨的電路塊顯示了 AC/DC 整流器電路。整流器電路與來自 RJ45 連接器的輸入信號連接。為了保護整流器電路免受電壓瞬變的影響，請在輸入線上放置雙向 TVS 二極管。這些串聯二極管對的版本能夠吸收 200 A 的浪涌電流或高達 1500 W 的脈沖功率。TVS 二極管對瞬態的響應時間非?？?，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，請在整流器的輸出端和 PD 控制器 DC/DC 電源的輸入端使用單向 TVS 二極管。TVS 二極管對瞬變提供快速響應。根據電路設計中的半導體元件，選擇具有適當鉗位電壓的 TVS 二極管。

保護建筑物中的 PoE 網絡

建筑物內的 PoE 網絡環境不那么惡劣；并且，PoE 網絡最大只能承載 15.4 V 或 350 mA。對于此電路，請考慮使用 2 通道 TVS 二極管來保護 PHY 免受有害 ESD 事件的影響。圖 3 左側的框圖詳細介紹了示例 PoE 網絡，并顯示了以太網 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?？紤]使用能夠吸收高達 ±30 kV 的 ESD 沖擊和 40 A 范圍內的電流浪涌的保護二極管陣列。 Tx 和 Rx 信號，尋找對地電容不超過 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 室內和室外電路：推薦的保護元件

圖 4. 用于以太網 PHY 電路電壓瞬態保護的兩通道 TVS 二極管陣列 IC

保護室外環境中的 PoE 網絡

對于電子產品而言，戶外環境比室內環境惡劣得多。電源交叉導致過流故障的風險更高，并且雷電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境 PoE 電路，建議在每條 I/O 線路上使用延時保險絲，以防止發生電源交叉事件。（參見圖 3 右側所示的示例。）由于環境具有挑戰性，除了保險絲外，氣體放電管 （GDT） 還應放置在 I/O 線路上。GDT 提供避雷針保護，防止雷擊或其他危險瞬變。GDT 具有以下屬性：

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

具有表面貼裝封裝的版本。

注意：保險絲和 GDT 組合應滿足 PoE++ 標準所述的所有監管要求。

與其他電路一樣，TVS 二極管陣列可以保護以太網 PHY 芯片組。在室外環境 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 的瞬態功率或 150 A 的浪涌電流。內部齊納二極管為組件提供瞬態保護，內部抑制二極管為各個通道提供差分瞬態保護。

圖 5a。兩通道 TVS 二極管陣列封裝引腳 圖 圖 5. 雙通道 TVS 二極管陣列瞬態保護器

5b。功能圖

穩健設計的價值

在通信系統設計中加入過載保護可防止因環境引起的過載和瞬變而損壞電子電路。增加保護元件是有成本的；然而，降低服務成本和提高產品質量聲譽的好處遠遠超過了附加組件的低成本。在原始設計定義中包含保護要求，開發時間將受到微不足道的影響。如果由于認證或合規性測試失敗而無需返工，甚至可以減少開發時間。此外，為了節省開發時間，請利用制造商的專業知識來幫助設計和選擇保護組件。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標準合規性的指導；并且，一些制造商可以執行預合規性測試，以促進產品獲得標準機構的批準，而無需進行多輪測試。具有高質量聲譽的產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