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(kāi)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(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(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(kāi)路,，而當(dāng)遇到長(zhǎng)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(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二極管電壓軌箝位陣列TVS3，它為耦合變壓器后面提供了額外的保護(hù),?？梢圆捎肧mith在一項(xiàng)美國(guó)專利中描述的Bob Smith終結(jié)法。Bob Smith終結(jié)是一種在多對(duì)導(dǎo)體系統(tǒng)上(各對(duì)之間以一種一致的方式相互關(guān)聯(lián))減小縱向或共模電流的方法,。如果采用這種方法,，則應(yīng)對(duì)各個(gè)終結(jié)做容性隔離，這樣它們就不會(huì)成為PoE電源的負(fù)載,。這種金屬/差分和縱

向/共模的聯(lián)合保護(hù)方案要求在發(fā)射和接收線對(duì)的兩端都有一個(gè)熔絲,。對(duì)于較低數(shù)據(jù)速率的以太網(wǎng)(如10BaseT)的無(wú)縱向模式方案可能只需要每對(duì)一只熔絲。對(duì)于100和1000BaseT系統(tǒng),，慎重的方法是在一個(gè)線對(duì)的兩端都置放一個(gè)完全相同的熔絲元件,，以維持回路的平衡(圖4),。

如果一個(gè)10BaseT以太網(wǎng)系統(tǒng)，保護(hù)用可控硅器件的第3和第6腳未接地,，而是保持開(kāi)路,，則允許采用單熔絲方案。出于對(duì)電纜放電事件的保護(hù)因素,，IEEE 802.3并未嚴(yán)格允許耦合變壓器初級(jí)端的共模保護(hù),，所以可控硅浪涌保護(hù)器件通常不接地。因此,，對(duì)于線路端的縱向/共模保護(hù),，大多數(shù)以太網(wǎng)方案取決于耦合變壓器的隔離額定值，而耦合變壓器次級(jí)端的三級(jí)位置可以連接到以太驅(qū)動(dòng)器的基準(zhǔn)地上,。

TVS3是一個(gè)2.5V的TVS二極管陣列,，它為耦合變壓器芯片端提供三級(jí)保護(hù)。這種方案滿足GR 1089-

Core,，Issue 6對(duì)建筑內(nèi)和建筑外PoE的浪涌與電源故障的要求,。可以用一只0.3A的PTC器件代替熔絲,，以滿足ITU K.20/21增強(qiáng)版和基本版的要求,，它包括對(duì)10BaseT以太網(wǎng)的調(diào)整條款。不過(guò),，對(duì)于100和1000BaseT,，要采用一對(duì)適當(dāng)尺寸的精密(1%)電阻，強(qiáng)制做次級(jí)與初級(jí)保護(hù)器之間的協(xié)調(diào),。

圖5給出了數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)以及PD中心抽頭電源連接保護(hù),，它符合對(duì)PD系統(tǒng)的Mode A和Mode B PoE電源要求。PD Mode A和Mode B PoE均由一個(gè)二極管橋和一個(gè)1000W TVS器件保護(hù),。對(duì)于更嚴(yán)酷的浪涌環(huán)境,，現(xiàn)在也有更強(qiáng)大的1500W和3000W方案，如管理標(biāo)準(zhǔn)ITU K.20 Enhanced或GR-1089 Port Type 5所描述的,。

圖5,，一個(gè)PoE系統(tǒng)保護(hù)實(shí)例同時(shí)包括了數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)與PD電源連接保護(hù),。對(duì)PD端電源部分的TVS保護(hù)同時(shí)滿足Mode A和Mode B PoE

電源。現(xiàn)有額定400W,、600W,、1500W和3000W用于這種類型電路的典型TVS器件。熔絲F1~F4提供符合GR-1089,、Issue 6以及UL60950-1的過(guò)流保護(hù),。

隨著電源PoE系統(tǒng)的增多，開(kāi)發(fā)商正在將以太設(shè)備安裝到越來(lái)越危險(xiǎn)的區(qū)域,，那里會(huì)有閃電導(dǎo)致的過(guò)壓,，以及50Hz~60Hz的電力線故障。審慎地使用雙向浪涌保護(hù)器件,、TVS二極管,、熔絲以及PTC器件，就可以確保在這些危險(xiǎn)下的可靠運(yùn)行,。