保护PoE系统不受闪电浪涌和其它电气伤害

保护PoE系统不受闪电浪涌和其它电气伤害要点1•较高PoE（以太网供电）功率水平可以满足室外设备的使用，这增加了遭受闪电电击和其它电气伤害的风险。2.在设备中加一种串联限流器件，这样在闪电浪涌事件后，设备还可以恢复工作。3•双向浪涌保护器件、TVS（瞬态电压抑制）二极管、熔丝与PTC（正温度系数）器件可有助于确保消除风险，可靠地工作。PoE（以太网供电）已经快速地普及开来，因为它消除了独立电源以及设备连接电源线的要求，并且不需要将设备布置在有电源插座的地方。最近，PoEPSE（电源设备）可以提供的功率值也有提升，从PoE的15.4W增加到PoE+的30W。这些增长促进了潜在应用数量的增加。以太网现在能为VoIP电话提供足够的能量，能延伸无线接入点的距离，能用于监控摄像头的摇摄功能。PoE基础在PoE中,PSE将电能送入电缆，送入方式可以是一个开关，也叫末端接入（endspan），或不在电缆端点时，用中端接入（midspan）。PD（受电设备）是电缆上消耗电能的设备。IEEE8O2.afPoE标准将PD功耗限制在12.95W或360mA，在考虑每端口的电缆损耗后,这对应15.4W（或400mA）的PSE输出极限。这个标准考虑了最长100m的最大回路的线损耗，因此允许PSE最高为57Vdc。标称电平为48Vdc。PoE+标准（IEEE802.at）则允许PSE提供高达30W功率，其中Type2设备的PD可以接受高达25.5W；而PoE+Type1则与PoE相同。PSE提供最大600mA电流。PoE+还要求使用5e类或6类线，其每个回路对的阻抗小于或等于12.5Q,而PoE的这个值是20Q。很多公司都正在努力提升这个最大功耗极限。现在已有可提供每端60W的PSE，有一家供应商采用了一种专利的工艺，称所售中端接入PSE可以提供每端95W。但这个数字可能已接近于5类电缆的物理界限，这意味着，要获得更高的功率，设计者就必须围绕这一界限寻找一种方式。一个简单方法是增加成捆电缆的距离，从而改善散热。超极限的功率使用要求电缆有更高规格的导体。这些较高的电压既不符合IEEE802.3af，也不符合IEEE802.3at。对PSE来说，关键是能为PD提供能量，而不会造成损坏。为了确定所需要的功率水平，在通电时，PSE与PD之间要有一个来回往返的信令握手过程，其中包含来自PSE的电压脉冲，用于决定所连接PD的阻抗特征。这个发现过程将系统设定为五大类中的一种（表1）。表2给出了PoE+的PoE-PD分类。PoE-PD电璟規楷PQWEFi-SCURCINGEQUIPMENT POWEREDDEVICE图1,在10或lOOBaseTX系统中的“空余”数据对，或在1000BaseT系统的4、5对和7、8对上加PoEModeB电源。PoE使用幻像供电技术，这样在一个线对的各导线间有V的电势差；两个导线对之间的电源电压是不同的。ft®c(V)H真枣沆irnrt.)r.^4pp平tsmy(W) ■)理詔1J13器色n1罟-仙9至-冲孚-fi疽E-10.13E却?5i A ?PoE+的PoE-PD分类PoE模式PSE能够以两种方式中的一种，通过以太网电缆提供电源。在ModeB下，PSE通过lOBaseT或lOOBaseTX系统中的4、5和7、8“空余”数据对供电，因为RJ-45只用1、2、3和6线传输数据。因此，RJ-45中的4、5和7、8线都可以用于供电（图1）。注意，PoE采用了一种“幻像”供电技术，一个线对的导线间电势差为0Vdc。电源电压是导线对的两个中心抽头连接之间的压差。在1000BaseT应用中，不存在空余线对；因此，必须用两个有效数据线对（ModeA或ModeB）提供电源。ModeA将DC电压与信号分别通过1、2和3、6线对传输（图2）。数据线对1、2和数据线对3、6上都跨接一个有中心抽头的隔离变压器。这两个中心抽头提供DC电源,而任何线对之间的电压保持为0Vdc。这种幻象电源技术同时用于ModeA和ModeB,有助于防止用户操作单个线对时，产生意外电击危险。POWER-SOURDINGEQdlPM^NTPOWEREDDEVICEPOWER-SOURDINGEQdlPM^NTPOWEREDDEVICE图NMc<ieAPoE便用数据信号对仁2和生B.因而適过这些数据对，蒔DC电圧与偿号结合起来匚RJ^5CCNNECTGROUTSIDEWORLDRJ^5CCNNECTGROUTSIDEWORLDNOTE:F1THROUGHr,ARETELECOMFUSES.图3,对10和lOOBaseT应用的闪电保护采用了箝位器件的组合。闪电引发的浪涌激活在次级的TVS1，提供了一个箝位功能，使有害浪涌远离敏感的以太网电路然后，三级器件TVS2对变压器的线路驱动端提供了另一层的保护电源故障事件特性为长期的50Hz~60Hz波形）激活熔丝F1〜F4。lOOOBaseT系统对其它两个数据信号采用了相同的保护机制。ModeA和ModeB都可以用于任何以太网应用，包括10、100和1OOOBaseT。PSE不能同时在ModeA和ModeB下提供电源，但PD必须同时兼容ModeA和ModeB供电技术，因为无法预先判断PD将连接哪种PSE模式。保护设备的细节以及连接方式取决于供电模式，以及以太网系统的数据速率。PSE和PD都必须能在闪电浪涌后继续运行，并且能安全地处理由UL60950-1或EN60950-1定义的电源故障事件，不过这些标准并不要求设备在这种测试后继续运行。为满足这一要求，必须装上一个串联限流器件，如熔丝，它在闪电浪涌测试时不会开路，而当遇到长期交流电源故障情况时则开路；也可以用一只PTC器件，在闪电浪涌测试后仍能工作。PTC器件可以在电源故障后自恢复，但不兼容100和1000BaseT以太网系统，原因是它们的关断电阻与迟滞恢复特性。PTC在多次工作后，将不会保持完美的匹配。闪电防护对闪电保护的选择取决于应用的预期暴露情况。对于室内不严苛的应用，可以在RJ-45接头与以太网PHY芯片组之间,在次级位置和三级位置使用TVS二极管阵列（图3）。闪电所致浪涌事件会在纳秒时间内激活TVS1，从而提供一个箝位功能，使有害浪涌远离敏感的以太线路驱动电路。TVS2用于箝位在变压器上耦合的残余浪涌。如果要用更强大的方案，可以为每个线对使用一个TVS二极管阵列；否则，用一个TVS阵列就可以保护两

个线对，如TVS2那样。电源故障事件（包括长期的50Hz与60Hz波形）可以在TVS器件提供了一个电流路径后，激活1.25A熔丝F1〜F4。PD保护因为无法知晓在以太网装设时，某个PSE会使用ModeA还是ModeB,因此必须为PD端的所有线对提供57V〜90V的保护，并且所有都加强到100V以上。浪涌保护器件的触发电压应高于电缆上可能出现的任何稳态电压。PoE电压可以达到57V，因此器件在低于此电压时不得触发。这种方案还能防止在电源分类测试或阻性电源恢复测试期间，浪涌保护器的导通。此外,有些电源系统提供48V，而有些提供-48V,因此保护器件不得有极性问题。这种情况下,设计人员通常会采用双向可控硅的浪涌保护器件。只有当有效电流低于其维持电流参数时，固态短路器才会复位。这种结构不是问题，因为它会从PSE拉出超额电流，从而在过流负荷情况下将PSE临时关断，并且它能够使可控硅浪涌保护器复位。图4给出了一个符合GR-1089的方案，用于室外环境的100和1000BaseT应用的过压与过流事件，无论是源于闪电浪涌还是电源故障。两个数据对引线中的熔丝提供了所需要的过流保护，它对闪电导致的第一级GR-1089事件过压浪涌不敏感。双向可控硅浪涌保护器（IC1〜IC4）或SIDACtor（硅交流二极管）器件提供了一个过压短路器保护方案，满足GR-1089、Issue6、端口类型3和案，同时解决了闪电浪涌和电源故障事件。对于0和lOOBaseT,只有两个数据线对需要这种保护。5的第一级与第二级闪电浪涌要求。AT*.HrtrtJ■*KEU51：Tn--ETJ-J7*出5的第一级与第二级闪电浪涌要求。AT*.HrtrtJ■*KEU51：Tn--ETJ-J7*出图4,一种针对室内外环境10、100和lOOOBaseT应用中过压与过流,并符合GR-1089的方HCTL&.两根用于IC1〜IC4的偏置线连接到任何可用的电压轨，这些电压轨小于保护器件的导通阈值电压，用于稳定它们的关断态电容，有助于保持信号的完整性。对于一个48V的PoE,双向可控硅浪涌保护器件可以有58V的最小阈值电压。对于具有高于57VPoE电压，不满足IEEE802.3的系统，就需要有更高的最小阈值保护器件。第三种方案（或叫芯片端方案）是一个TVS二极管电压轨箝位阵列TVS3,它为耦合变压器后面提供了额外的保护。可以采用Smith在一项美国专利中描述的BobSmith终结法。BobSmith终结是一种在多对导体系统上（各对之间以一种一致的方式相互关联）减小纵向或共模电流的方法。如果采用这种方法，则应对各个终结做容性隔离，这样它们就不会成为PoE电源的负载。这种金属/差分和纵向/共模的联合保护方案要求在发射和接收线对的两端都有一个熔丝。对于较低数据速率的以太网（如10BaseT）的无纵向模式方案可能只需要每对一只熔丝。对于100和1000BaseT系统，慎重的方法是在一个线对的两端都置放一个完全相同的熔丝元件，以维持回路的平衡（图4）。如果一个10BaseT以太网系统，保护用可控硅器件的第3和第6脚未接地，而是保持开路，则允许采用单熔丝方案。出于对电缆放电事件的保护因素，IEEE802.3并未严格允许耦合变压器初级端的共模保护，所以可控硅浪涌保护器件通常不接地。因此，对于线路端的纵向/共模保护，大多数以太网方案取决于耦合变压器的隔离额定值，而耦合变压器次级端的三级位置可以连接到以太驱动器的基准地上。TVS3是一个2.5V的TVS二极管阵列，它为耦合变压器芯片端提供三级保护。这种方案满足GR1089-Core，Issue6对建筑内和建筑外PoE的浪涌与电源故障的要求。可以用一只0.3A的PTC器件代替熔丝，以满足ITUK.20/21增强版和基本版的要求，它包括对10BaseT以太网的调整条款。不过，对于100和1000BaseT,要采用一对适当尺寸的精密（1%）电阻，强制做次级与初级保护器之间的协调。图5给出了数据对保护以及PD中心抽头电源连接保护，它符合对PD系统的ModeA和ModeBPoE电源要求。PDModeA和ModeBPoE均由一个二极管桥和一个1000WTVS器件保护。对于更严酷的浪涌环境，现在也有更强大的1500W和3000W方案，如管理标准ITUK.20Enhanced或GR-1089PortType5所描述的。

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