保護PoE系統不受閃電浪涌和其它電氣傷害

要點(diǎn)　

1.較高PoE(以太網(wǎng)供電)功率水平可以滿(mǎn)足室外設備的使用，這增加了遭受閃電電擊和其它電氣傷害的風(fēng)險。

2.在設備中加一種串聯(lián)限流器件，這樣在閃電浪涌事件后，設備還可以恢復工作。

3.雙向浪涌保護器件、TVS(瞬態(tài)電壓抑制）二極管、熔絲與PTC(正溫度系數)器件可有助于確保消除風(fēng)險，可靠地工作。

PoE(以太網(wǎng)供電)已經(jīng)快速地普及開(kāi)來(lái)，因為它消除了獨立電源以及設備連接電源線(xiàn)的要求，并且不需要將設備布置在有電源插座的地方。最近，PoE PSE(電源設備)可以提供的功率值也有提升，從PoE的15.4W增加到PoE+的30W。這些增長(cháng)促進(jìn)了潛在應用數量的增加。以太網(wǎng)現在能為VoIP電話(huà)提供足夠的能量，能延伸無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)的距離，能用于監控攝像頭的搖攝功能。

PoE基礎　

在PoE中，PSE將電能送入電纜，送入方式可以是一個(gè)開(kāi)關(guān)，也叫末端接入(end span)，或不在電纜端點(diǎn)時(shí)，用中端接入(midspan)。PD(受電設備)是電纜上消耗電能的設備。

IEEE 802.af PoE標準將PD功耗限制在12.95W或360mA，在考慮每端口的電纜損耗后，這對應15.4W(或400mA)的PSE輸出極限。這個(gè)標準考慮了最長(cháng)100m的最大回路的線(xiàn)損耗，因此允許PSE最高為57Vdc。標稱(chēng)電平為48Vdc。

PoE+標準(IEEE 802.at)則允許PSE提供高達30W功率，其中Type 2設備的PD可以接受高達25.5W；而PoE+ Type 1則與PoE相同。PSE提供最大600mA電流。PoE+還要求使用5e類(lèi)或6類(lèi)線(xiàn)，其每個(gè)回路對的阻抗小于或等于12.5Ω，而PoE的這個(gè)值是20Ω。

很多公司都正在努力提升這個(gè)最大功耗極限?，F在已有可提供每端60W的PSE，有一家供應商采用了一種專(zhuān)利的工藝，稱(chēng)所售中端接入PSE可以提供每端95W。但這個(gè)數字可能已接近于5類(lèi)電纜的物理界限，這意味著(zhù)，要獲得更高的功率，設計者就必須圍繞這一界限尋找一種方式。一個(gè)簡(jiǎn)單方法是增加成捆電纜的距離，從而改善散熱。超極限的功率使用要求電纜有更高規格的導體。這些較高的電壓既不符合IEEE 802.3af，也不符合IEEE 802.3at。

對PSE來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是能為PD提供能量，而不會(huì )造成損壞。為了確定所需要的功率水平，在通電時(shí)，

PSE與PD之間要有一個(gè)來(lái)回往返的信令握手過(guò)程，其中包含來(lái)自PSE的電壓脈沖，用于決定所連接PD的阻抗特征。這個(gè)發(fā)現過(guò)程將系統設定為五大類(lèi)中的一種(表1)。表2給出了PoE+的PoE-PD分類(lèi)。

圖1，在10或100BaseTX系統中的“空余”數據對，或在1000BaseT系統的4、5對和7、8對上加PoE Mode B電源。PoE使用幻像供電技術(shù)，這樣在一個(gè)線(xiàn)對的各導線(xiàn)間有0V的電

勢差；兩個(gè)導線(xiàn)對之間的電源電壓是不同的。

PoE+的PoE-PD分類(lèi)

PoE模式　

PSE能夠以?xún)煞N方式中的一種，通過(guò)以太網(wǎng)電纜提供電源。在ModeB下，PSE通過(guò)10BaseT或100BaseTX系統中的4、5和7、8“空余”數據對供電，因為RJ-45只用1、2、3和6線(xiàn)傳輸數據。因此，RJ-45中的4、5和7、8線(xiàn)都可以用于供電(圖1)。注意，PoE采用了一種“幻像”供電技術(shù)，一個(gè)線(xiàn)對的導線(xiàn)間電勢差為0Vdc。電源電壓是導線(xiàn)對的兩個(gè)中心抽頭連接之間的壓差。

在1000BaseT應用中，不存在空余線(xiàn)對；因此，必須用兩個(gè)有效數據線(xiàn)對(Mode A或Mode B)提供電源。Mode A將DC電壓與信號分別通過(guò)1、2和3、6線(xiàn)對傳輸(圖2)。數據線(xiàn)對1、2和數據線(xiàn)對3、6上都跨接一個(gè)有中心抽頭的隔離變壓器。這兩個(gè)中心抽頭提供DC電源，而任何線(xiàn)對之間的電壓保持為0Vdc。這種幻象電源技術(shù)同時(shí)用于Mode A和Mode B，有助于防止用戶(hù)操作單個(gè)線(xiàn)對時(shí)，產(chǎn)生意外電擊危險。

圖3，對10和100BaseT應用的閃電保護采用了箝位器件的組合。閃電引發(fā)的浪涌激活在次級的TVS1，提供了一個(gè)箝位功能，使有害浪涌遠離敏感的以太網(wǎng)電路。然后，三級器件TVS2對變壓器的線(xiàn)路驅動(dòng)端提供了另一層的保護。電源故障事件(特性為長(cháng)期的50Hz~60Hz波形)激活熔絲F1~F4。1000BaseT系統對其它兩個(gè)數據信號采用了相同的保護機制。

Mode A和Mode B都可以用于任何以太網(wǎng)應用，包括10、100和1000BaseT。PSE不能同時(shí)在Mode A和Mode B下提供電源，但PD必須同時(shí)兼容Mode A和Mode B供電技術(shù)，因為無(wú)法預先判斷PD將連接哪種PSE模式。

保護設備的細節以及連接方式取決于供電模式，以及以太網(wǎng)系統的數據速率。PSE和PD都必須能在閃電浪涌后繼續運行，并且能安全地處理由UL 60950-1或EN 60950-1定義的電源故障事件，不過(guò)這些標準并不要求設備在這種測試后繼續運行。

為滿(mǎn)足這一要求，必須裝上一個(gè)串聯(lián)限流器件，如熔絲，它在閃電浪涌測試時(shí)不會(huì )開(kāi)路，而當遇到長(cháng)期交流電源故障情況時(shí)則開(kāi)路；也可以用一只PTC器件，在閃電浪涌測試后仍能工作。PTC器件可以在電源故障后自恢復，但不兼容100和1000BaseT以太網(wǎng)系統，原因是它們的關(guān)斷電阻與遲滯恢復特性。PTC在多次工作后，將不會(huì )保持完美的匹配。

閃電防護對閃電保護的選擇取決于應用的預期暴露情況。對于室內不嚴苛的應用，可以在RJ-45接頭與以太網(wǎng)PHY芯片組之間，在次級位置和三級位置使用TVS二極管陣列(圖3)。閃電所致浪涌事件會(huì )在納秒時(shí)間內激活TVS1，從而提供一個(gè)箝位功能，使有害浪涌遠離敏感的以太線(xiàn)路驅動(dòng)電路。TVS2用于箝位在變壓器上耦合的殘余浪涌。如果要用更強大的方案，可以為每個(gè)線(xiàn)對使用一個(gè)TVS二極管陣列；否則，用一個(gè)TVS陣列就可以保護兩個(gè)線(xiàn)對，如TVS2那樣。電源故障事件(包括長(cháng)期的50Hz與60Hz波形)可以在TVS器件提供了一個(gè)電流路徑后，激活1.25A熔絲F1~F4。

PD保護　

因為無(wú)法知曉在以太網(wǎng)裝設時(shí)，某個(gè)PSE會(huì )使用Mode A還是Mode B，因此必須為PD端的所有線(xiàn)對提供57V~90V的保護，并且所有都加強到100V以上。浪涌保護器件的觸發(fā)電壓應高于電纜上可能出現的任何穩態(tài)電壓。PoE電壓可以達到57V，因此器件在低于此電壓時(shí)不得觸發(fā)。

這種方案還能防止在電源分類(lèi)測試或阻性電源恢復測試期間，浪涌保護器的導通。此外，有些電源系統提供48V，而有些提供-48V，因此保護器件不得有極性問(wèn)題。這種情況下，設計人員通常會(huì )采用雙向可控硅的浪涌保護器件。只有當有效電流低于其維持電流參數時(shí)，固態(tài)短路器才會(huì )復位。這種結構不是問(wèn)題，因為它會(huì )從PSE拉出超額電流，從而在過(guò)流負荷情況下將PSE臨時(shí)關(guān)斷，并且它能夠使可控硅浪涌保護器復位。

圖4給出了一個(gè)符合GR-1089的方案，用于室外環(huán)境的100和1000BaseT應用的過(guò)壓與過(guò)流事件，無(wú)論是源于閃電浪涌還是電源故障。兩個(gè)數據對引線(xiàn)中的熔絲提供了所需要的過(guò)流保護，它對閃電導致的第一級GR-1089事件過(guò)壓浪涌不敏感。雙向可控硅浪涌保護器(IC1~IC4)或SIDACtor(硅交流

二極管)器件提供了一個(gè)過(guò)壓短路器保護方案，滿(mǎn)足GR-1089、Issue 6、端口類(lèi)型3和5的第一級與第二級閃電浪涌要求。

圖4，一種針對室內外環(huán)境10、100和1000BaseT應用中過(guò)壓與過(guò)流，并符合GR-1089的方案，同時(shí)解決了閃電浪涌和電源故障事件。對于10和100BaseT，只有兩個(gè)數據線(xiàn)對需要這種保護。

兩根用于IC1~IC4的偏置線(xiàn)連接到任何可用的電壓軌，這些電壓軌小于保護器件的導通閾值電壓，用于穩定它們的關(guān)斷態(tài)電容，有助于保持信號的完整性。對于一個(gè)48V的PoE，雙向可控硅浪涌保護器件可以有58V的最小閾值電壓。對于具有高于57V PoE電壓，不滿(mǎn)足IEEE 802.3的系統，就需要有更高的最小閾值保護器件。

第三種方案(或叫芯片端方案)是一個(gè)TVS二極管