保護(hù)PoE系統(tǒng)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)功率水平可以滿足室外設(shè)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(xiǎn)。

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

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

PoE(以太網(wǎng)供電)已經(jīng)快速地普及開來(lái)，因?yàn)樗霜?dú)立電源以及設(shè)備連接電源線的要求，并且不需要將設(shè)備布置在有電源插座的地方。最近，PoE PSE(電源設(shè)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(zhǎng)促進(jìn)了潛在應(yīng)用數(shù)量的增加。以太網(wǎng)現(xiàn)在能為VoIP電話提供足夠的能量，能延伸無(wú)線接入點(diǎn)的距離，能用于監(jiān)控?cái)z像頭的搖攝功能。

PoE基礎(chǔ)　

在PoE中，PSE將電能送入電纜，送入方式可以是一個(gè)開關(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(shè)備)是電纜上消耗電能的設(shè)備。

IEEE 802.af PoE標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)15.4W(或400mA)的PSE輸出極限。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)考慮了最長(zhǎng)100m的最大回路的線損耗，因此允許PSE最高為57Vdc。標(biāo)稱電平為48Vdc。

PoE+標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.at)則允許PSE提供高達(dá)30W功率，其中Type 2設(shè)備的PD可以接受高達(dá)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類或6類線，其每個(gè)回路對(duì)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(xiàn)在已有可提供每端60W的PSE，有一家供應(yīng)商采用了一種專利的工藝，稱所售中端接入PSE可以提供每端95W。但這個(gè)數(shù)字可能已接近于5類電纜的物理界限，這意味著，要獲得更高的功率，設(shè)計(jì)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(guī)格的導(dǎo)體。這些較高的電壓既不符合IEEE 802.3af，也不符合IEEE 802.3at。

對(duì)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(xiàn)過(guò)程將系統(tǒng)設(shè)定為五大類中的一種(表1)。表2給出了PoE+的PoE-PD分類。

圖1，在10或100BaseTX系統(tǒng)中的“空余”數(shù)據(jù)對(duì)，或在1000BaseT系統(tǒng)的4、5對(duì)和7、8對(duì)上加PoE Mode B電源。PoE使用幻像供電技術(shù)，這樣在一個(gè)線對(duì)的各導(dǎo)線間有0V的電

勢(shì)差；兩個(gè)導(dǎo)線對(duì)之間的電源電壓是不同的。

PoE+的PoE-PD分類

PoE模式　

PSE能夠以兩種方式中的一種，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(tǒng)中的4、5和7、8“空余”數(shù)據(jù)對(duì)供電，因?yàn)镽J-45只用1、2、3和6線傳輸數(shù)據(jù)。因此，RJ-45中的4、5和7、8線都可以用于供電(圖1)。注意，PoE采用了一種“幻像”供電技術(shù)，一個(gè)線對(duì)的導(dǎo)線間電勢(shì)差為0Vdc。電源電壓是導(dǎo)線對(duì)的兩個(gè)中心抽頭連接之間的壓差。

在1000BaseT應(yīng)用中，不存在空余線對(duì)；因此，必須用兩個(gè)有效數(shù)據(jù)線對(duì)(Mode A或Mode B)提供電源。Mode A將DC電壓與信號(hào)分別通過(guò)1、2和3、6線對(duì)傳輸(圖2)。數(shù)據(jù)線對(duì)1、2和數(shù)據(jù)線對(duì)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，而任何線對(duì)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，有助于防止用戶操作單個(gè)線對(duì)時(shí)，產(chǎn)生意外電擊危險(xiǎn)。

圖3，對(duì)10和100BaseT應(yīng)用的閃電保護(hù)采用了箝位器件的組合。閃電引發(fā)的浪涌激活在次級(jí)的TVS1，提供了一個(gè)箝位功能，使有害浪涌遠(yuǎn)離敏感的以太網(wǎng)電路。然后，三級(jí)器件TVS2對(duì)變壓器的線路驅(qū)動(dòng)端提供了另一層的保護(hù)。電源故障事件(特性為長(zhǎng)期的50Hz~60Hz波形)激活熔絲F1~F4。1000BaseT系統(tǒng)對(duì)其它兩個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)采用了相同的保護(hù)機(jī)制。

Mode A和Mode B都可以用于任何以太網(wǎng)應(yīng)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?yàn)闊o(wú)法預(yù)先判斷PD將連接哪種PSE模式。

保護(hù)設(shè)備的細(xì)節(jié)以及連接方式取決于供電模式，以及以太網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。PSE和PD都必須能在閃電浪涌后繼續(xù)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)并不要求設(shè)備在這種測(cè)試后繼續(xù)運(yùn)行。

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

閃電防護(hù)對(duì)閃電保護(hù)的選擇取決于應(yīng)用的預(yù)期暴露情況。對(duì)于室內(nèi)不嚴(yán)苛的應(yīng)用，可以在RJ-45接頭與以太網(wǎng)PHY芯片組之間，在次級(jí)位置和三級(jí)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(nèi)激活TVS1，從而提供一個(gè)箝位功能，使有害浪涌遠(yuǎn)離敏感的以太線路驅(qū)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(qiáng)大的方案，可以為每個(gè)線對(duì)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(hù)兩個(gè)線對(duì)，如TVS2那樣。電源故障事件(包括長(zhǎng)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(hù)　

因?yàn)闊o(wú)法知曉在以太網(wǎng)裝設(shè)時(shí)，某個(gè)PSE會(huì)使用Mode A還是Mode B，因此必須為PD端的所有線對(duì)提供57V~90V的保護(hù)，并且所有都加強(qiáng)到100V以上。浪涌保護(hù)器件的觸發(fā)電壓應(yīng)高于電纜上可能出現(xiàn)的任何穩(wěn)態(tài)電壓。PoE電壓可以達(dá)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測(cè)試或阻性電源恢復(fù)測(cè)試期間，浪涌保護(hù)器的導(dǎo)通。此外，有些電源系統(tǒng)提供48V，而有些提供-48V，因此保護(hù)器件不得有極性問(wèn)題。這種情況下，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)采用雙向可控硅的浪涌保護(hù)器件。只有當(dāng)有效電流低于其維持電流參數(shù)時(shí)，固態(tài)短路器才會(huì)復(fù)位。這種結(jié)構(gòu)不是問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)從PSE拉出超額電流，從而在過(guò)流負(fù)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(hù)器復(fù)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(yīng)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(shù)據(jù)對(duì)引線中的熔絲提供了所需要的過(guò)流保護(hù)，它對(duì)閃電導(dǎo)致的第一級(jí)GR-1089事件過(guò)壓浪涌不敏感。雙向可控硅浪涌保護(hù)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(hù)方案，滿足GR-1089、Issue 6、端口類型3和5的第一級(jí)與第二級(jí)閃電浪涌要求。

圖4，一種針對(duì)室內(nèi)外環(huán)境10、100和1000BaseT應(yīng)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(duì)于10和100BaseT，只有兩個(gè)數(shù)據(jù)線對(duì)需要這種保護(hù)。

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

第三種方案(或叫芯片端方案)是一個(gè)TVS二極管