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，PoE PSE(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(end span)，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。

IEEE 802.af PoE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(IEEE 802.at)则允许PSE提供高达30W功率，其中Type 2设备的PD可以接受高达25.5W；而PoE+ Type 1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12.5Ω，而PoE的这个值是20Ω。

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IEEE 802.3af，也不符合IEEE 802.3at。

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。

图1，在10或100BaseTX系统中的“空余”数据对，或在1000BaseT系统的4、5对和7、8对上加PoE Mode B电源。PoE使用幻像供电技术，这样在一个线对的各导线间有0V的电

势差；两个导线对之间的电源电压是不同的。

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10BaseT或100BaseTX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(Mode A或Mode B)提供电源。Mode A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Mode A和Mode B，有助于防止用户操作单个线对时，产生意外电击危险。

图3，对10和100BaseT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。1000BaseT系统对其它两个数据信号采用了相同的保护机制。

Mode A和Mode B都可以用于任何以太网应用，包括10、100和1000BaseT。PSE不能同时在Mode A和Mode B下提供电源，但PD必须同时兼容Mode A和Mode B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UL 60950-1或EN 60950-1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Mode A还是Mode B，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、Issue 6、端口类型3和5的第一级与第二级闪电浪涌要求。

图4，一种针对室内外环境10、100和1000BaseT应用中过压与过流，并符合GR-1089的方案，同时解决了闪电浪涌和电源故障事件。对于10和100BaseT，只有两个数据线对需要这种保护。

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57V PoE电压，不满足IEEE 802.3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Bob Smith终结法。Bob Smith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，IEEE 802.3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GR 1089-

Core，Issue 6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ITU K.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Mode A和Mode B PoE电源要求。PD Mode A和Mode B PoE均由一个二极管桥和一个1000W TVS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ITU K.20 Enhanced或GR-1089 Port Type 5所描述的。

图5，一个PoE系统保护实例同时包括了数据对保护与PD电源连接保护。对PD端电源部分的TVS保护同时满足Mode A和Mode B PoE

电源。现有额定400W、600W、1500W和3000W用于这种类型电路的典型TVS器件。熔丝F1~F4提供符合GR-1089、Issue 6以及UL60950-1的过流保护。

随着电源PoE系统的增多，开发商正在将以太设备安装到越来越危险的区域，那里会有闪电导致的过压，以及50Hz~60Hz的电力线故障。审慎地使用双向浪涌保护器件、TVS二极管、熔丝以及PTC器件，就可以确保在这些危险下的可靠运行。