Littelfuse设计手册：防止PoE系统遭受雷击和其他电气危害

导言：以太网供电（Power over Ethernet，PoE）系统不需要对连接的设备使用电源和电缆，而且不需要将设备定位在交流电源插座附近，因此正逐渐变得日益流行。 近年来的发展使PoE 能够提供高达 30W 的电源（即 PoE+），这反过来增加了潜在应用的数量。 现在，以太网能够为 VoIP（互联网语音协议）电话设备、扩展的无线接入点和监视摄像头提供充分的电源。

虽然更高功率水平已证明对许多设计人员是一种福音，但它们还使用户能够将这些设备移到室外，或者移入使设备遭受雷击、ESD 放电和意外电源故障的其他环境。 因此，提供合适的电路保护非常重要。

TVS 二极管提供雷电保护

选择适合特定设备的雷电保护取决于设备遭受雷击的方式。 对于室内严重程度低的应用，可以在二级位置和三级位置中 RJ-45 和以太网 PHY（物理）层之间使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管阵列。 （参见图 1.）

雷击引起的电涌事件在几纳秒内激活 TVS 二极管阵列TVS1，提供钳位功能，将突如其来的电涌引离敏感的以太网线路驱动器电路。 TVS2 将通过变压器耦合的所有残余电涌钳位。 对于更稳健的方法，可以为每个线对使用 TVS二极管阵列；否则，一个 TVS 阵列可以保护两个线对，如同 TVS2 那样。 涉及长期 50- 和 60-Hz 波形的电源故障事件，在 TVS 设备提供电流路径之后，激活 1.25A 保险丝 F1至 F4。

供电设备保护

在供电设备 (PD) 端，必须能够防止 57 - 90 V 电涌，前提是一切电涌难以超过 100V。 电涌保护设备的触发电压应大于可能在电缆上出现的任何稳定状态的电压。 PoE 电压可以达到 57 V，因此，设备不得在此电压或低于此电压时触发。

这种方法还可以防止电涌保护器在电源分类测试或阻性电源恢复测试期间打开。 而且，某些电源系统提供 48 V 电压，而其他一些电源系统提供的电压为 -48 V，因此保护设备不得区分极性。 在此情况下，设计人员通常采用双向半导体晶闸管电涌保护设备。 （参见图 2.） 固态消弧设备仅在可用电流低于指定的保持电流时重置。 这种设置不是问题，因为它可以从供应电源的设备 (PSE) 吸收过多的电流，在过流情况下暂时关机，使半导体晶闸管电涌保护器重置。

数据对导线中的保险丝提供必要的过流保护，对一级 GR-1089 事件的雷击引起的过压电涌不敏感。 双向半导体晶闸管电涌保护设备 IC1 至 IC4 或 SIDACtor设备（参见图3.）提供过压消弧保护方法，根据 GR-1089 第 6 版，这种方法符合一级和二级雷击电涌。

IC1 至 IC4 的两根偏置导线连接到小于保护设备打开阈值电压的所有可用电压杆，使关闭状态的电容保持稳定，并帮助保持信号完整性。 对于 48 V PoE，双向半导体晶闸管电涌保护设备 IC1 至 IC4 可以具有 58 V 的最小阈值。PoE 电压高于 57 V 的不合规 IEEE 802.3 系统需要具有更高最小阈值的保护设备。

三级或芯片侧方法是一个 TVS 二极管轨钳位阵列，即TVS3，它可以在耦合变压器之后提供额外的保护。 BobSmith 终端是一种减少数据对以一致的方法相互关联的多对导体系统上纵向或共模电流的方法。如果使用Bob Smith终端，您应对终端进行电容隔离，从而使它们不会承载PoE 电源。 这种组合式金属/微分和纵向/共模保护方法需要在传输对和接收对的导线上安装保险丝。

不采用纵向模式的方法可能只要求一个数据对安装一根保险丝，适用于较低数据速率的以太网，例如 10BaseT。 对于 100 和 1000BaseT 系统，谨慎起见，将相同的保险丝组件置于数据对的两个引脚中，以保护回路平衡。

如果保护性半导体晶闸管设备的引脚 3 和 6 没有连接到地线，而是对 10BaseT 以太网系统保持开路，则可以采用单保险丝的方法。 由于 IEEE 802.3 出于电缆放电事件原因并不严格允许对耦合变压器的主侧采取共模保护，半导体晶闸管电涌保护设备通常不连接到地线。 因此，大部分以太网方法取决于用于线端上纵向/共模保护的耦合变压器的隔离电压，而耦合变压器的次要侧上的三级位置可以连接到以太网线路驱动器的接地基准。

TVS3 是一种 2.5V TVS 二极管阵列，它在耦合变压器的芯片侧提供三级保护。 这种方法符合 GR 1089Core 第 6版的电涌和电源故障要求，适用于建筑物内和建筑物间PoE。 您可以使用 0.3 A PTC 设备取代保险丝，以符合ITU K.20/21（增强和基本）要求，其中包含 10BaseT 以太网的协调条款。