要點
1.較高PoE(以太網(wǎng)供電)功率水平可以滿足室外設備的使用,，這增加了遭受閃電電擊和其它電氣傷害的風險。
2.在設備中加一種串聯(lián)限流器件,，這樣在閃電浪涌事件后,，設備還可以恢復工作,。
3.雙向浪涌保護器件、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險,，可靠地工作。
PoE(以太網(wǎng)供電)已經快速地普及開來,，因為它消除了獨立電源以及設備連接電源線的要求,，并且不需要將設備布置在有電源插座的地方。最近,，PoE PSE(電源設備)可以提供的功率值也有提升,，從PoE的15.4W增加到PoE+的30W。這些增長促進了潛在應用數(shù)量的增加,。以太網(wǎng)現(xiàn)在能為VoIP電話提供足夠的能量,，能延伸無線接入點的距離，能用于監(jiān)控攝像頭的搖攝功能,。
PoE基礎
在PoE中,，PSE將電能送入電纜，送入方式可以是一個開關,，也叫末端接入(end span),，或不在電纜端點時，用中端接入(midspan),。PD(受電設備)是電纜上消耗電能的設備,。
IEEE 802.af PoE標準將PD功耗限制在12.95W或360mA，在考慮每端口的電纜損耗后,，這對應15.4W(或400mA)的PSE輸出極限,。這個標準考慮了最長100m的最大回路的線損耗，因此允許PSE最高為57Vdc,。標稱電平為48Vdc,。
PoE+標準(IEEE 802.at)則允許PSE提供高達30W功率，其中Type 2設備的PD可以接受高達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,，其每個回路對的阻抗小于或等于12.5Ω,，而PoE的這個值是20Ω。
很多公司都正在努力提升這個最大功耗極限?，F(xiàn)在已有可提供每端60W的PSE,，有一家供應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，設計者就必須圍繞這一界限尋找一種方式,。一個簡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)格的導體,。這些較高的電壓既不符合IEEE 802.3af,，也不符合IEEE 802.3at。
對PSE來說,，關鍵是能為PD提供能量,，而不會造成損壞。為了確定所需要的功率水平,，在通電時,，
PSE與PD之間要有一個來回往返的信令握手過程，其中包含來自PSE的電壓脈沖,，用于決定所連接PD的阻抗特征,。這個發(fā)現(xiàn)過程將系統(tǒng)設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,，或在1000BaseT系統(tǒng)的4、5對和7,、8對上加PoE Mode B電源。PoE使用幻像供電技術,，這樣在一個線對的各導線間有0V的電
勢差,；兩個導線對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,，通過以太網(wǎng)電纜提供電源,。在ModeB下，PSE通過10BaseT或100BaseTX系統(tǒng)中的4,、5和7,、8“空余”數(shù)據(jù)對供電,，因為RJ-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,，一個線對的導線間電勢差為0Vdc。電源電壓是導線對的兩個中心抽頭連接之間的壓差,。
在1000BaseT應用中,，不存在空余線對；因此,，必須用兩個有效數(shù)據(jù)線對(Mode A或Mode B)提供電源,。Mode A將DC電壓與信號分別通過1、2和3,、6線對傳輸(圖2),。數(shù)據(jù)線對1、2和數(shù)據(jù)線對3,、6上都跨接一個有中心抽頭的隔離變壓器,。這兩個中心抽頭提供DC電源，而任何線對之間的電壓保持為0Vdc,。這種幻象電源技術同時用于Mode A和Mode B,，有助于防止用戶操作單個線對時，產生意外電擊危險,。
圖3,，對10和100BaseT應用的閃電保護采用了箝位器件的組合。閃電引發(fā)的浪涌激活在次級的TVS1，提供了一個箝位功能,，使有害浪涌遠離敏感的以太網(wǎng)電路,。然后，三級器件TVS2對變壓器的線路驅動端提供了另一層的保護,。電源故障事件(特性為長期的50Hz~60Hz波形)激活熔絲F1~F4,。1000BaseT系統(tǒng)對其它兩個數(shù)據(jù)信號采用了相同的保護機制。
Mode A和Mode B都可以用于任何以太網(wǎng)應用,，包括10,、100和1000BaseT。PSE不能同時在Mode A和Mode B下提供電源,，但PD必須同時兼容Mode A和Mode B供電技術,，因為無法預先判斷PD將連接哪種PSE模式。
保護設備的細節(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,，不過這些標準并不要求設備在這種測試后繼續(xù)運行,。
為滿足這一要求，必須裝上一個串聯(lián)限流器件,，如熔絲,，它在閃電浪涌測試時不會開路，而當遇到長期交流電源故障情況時則開路,；也可以用一只PTC器件,，在閃電浪涌測試后仍能工作。PTC器件可以在電源故障后自恢復,，但不兼容100和1000BaseT以太網(wǎng)系統(tǒng),，原因是它們的關斷電阻與遲滯恢復特性。PTC在多次工作后,，將不會保持完美的匹配,。
閃電防護對閃電保護的選擇取決于應用的預期暴露情況。對于室內不嚴苛的應用,，可以在RJ-45接頭與以太網(wǎng)PHY芯片組之間,，在次級位置和三級位置使用TVS二極管陣列(圖3)。閃電所致浪涌事件會在納秒時間內激活TVS1,，從而提供一個箝位功能,，使有害浪涌遠離敏感的以太線路驅動電路。TVS2用于箝位在變壓器上耦合的殘余浪涌,。如果要用更強大的方案,，可以為每個線對使用一個TVS二極管陣列,；否則,，用一個TVS陣列就可以保護兩個線對,，如TVS2那樣。電源故障事件(包括長期的50Hz與60Hz波形)可以在TVS器件提供了一個電流路徑后,，激活1.25A熔絲F1~F4,。
PD保護
因為無法知曉在以太網(wǎng)裝設時，某個PSE會使用Mode A還是Mode B,，因此必須為PD端的所有線對提供57V~90V的保護,，并且所有都加強到100V以上。浪涌保護器件的觸發(fā)電壓應高于電纜上可能出現(xiàn)的任何穩(wěn)態(tài)電壓,。PoE電壓可以達到57V,，因此器件在低于此電壓時不得觸發(fā)。
這種方案還能防止在電源分類測試或阻性電源恢復測試期間,，浪涌保護器的導通,。此外，有些電源系統(tǒng)提供48V,，而有些提供-48V,，因此保護器件不得有極性問題。這種情況下,，設計人員通常會采用雙向可控硅的浪涌保護器件,。只有當有效電流低于其維持電流參數(shù)時，固態(tài)短路器才會復位,。這種結構不是問題,，因為它會從PSE拉出超額電流，從而在過流負荷情況下將PSE臨時關斷,，并且它能夠使可控硅浪涌保護器復位,。
圖4給出了一個符合GR-1089的方案，用于室外環(huán)境的100和1000BaseT應用的過壓與過流事件,，無論是源于閃電浪涌還是電源故障,。兩個數(shù)據(jù)對引線中的熔絲提供了所需要的過流保護，它對閃電導致的第一級GR-1089事件過壓浪涌不敏感,。雙向可控硅浪涌保護器(IC1~IC4)或SIDACtor(硅交流
二極管)器件提供了一個過壓短路器保護方案,，滿足GR-1089、Issue 6,、端口類型3和5的第一級與第二級閃電浪涌要求,。
圖4，一種針對室內外環(huán)境10,、100和1000BaseT應用中過壓與過流,，并符合GR-1089的方案，同時解決了閃電浪涌和電源故障事件,。對于10和100BaseT,，只有兩個數(shù)據(jù)線對需要這種保護。
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器件的導通閾值電壓,，用于穩(wěn)定它們的關斷態(tài)電容，有助于保持信號的完整性,。對于一個48V的PoE,，雙向可控硅浪涌保護器件可以有58V的最小閾值電壓。對于具有高于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器件。
第三種方案(或叫芯片端方案)是一個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,。可以采用Smith在一項美國專利中描述的Bob Smith終結法,。Bob Smith終結是一種在多對導體系統(tǒng)上(各對之間以一種一致的方式相互關聯(lián))減小縱向或共模電流的方法,。如果采用這種方法，則應對各個終結做容性隔離,，這樣它們就不會成為PoE電源的負載,。這種金屬/差分和縱
向/共模的聯(lián)合保護方案要求在發(fā)射和接收線對的兩端都有一個熔絲。對于較低數(shù)據(jù)速率的以太網(wǎng)(如10BaseT)的無縱向模式方案可能只需要每對一只熔絲,。對于100和1000BaseT系統(tǒng),，慎重的方法是在一個線對的兩端都置放一個完全相同的熔絲元件，以維持回路的平衡(圖4),。
如果一個10BaseT以太網(wǎng)系統(tǒng),，保護用可控硅器件的第3和第6腳未接地，而是保持開路,，則允許采用單熔絲方案,。出于對電纜放電事件的保護因素，IEEE 802.3并未嚴格允許耦合變壓器初級端的共模保護,，所以可控硅浪涌保護器件通常不接地,。因此,，對于線路端的縱向/共模保護，大多數(shù)以太網(wǎng)方案取決于耦合變壓器的隔離額定值,，而耦合變壓器次級端的三級位置可以連接到以太驅動器的基準地上,。
TVS3是一個2.5V的TVS二極管陣列，它為耦合變壓器芯片端提供三級保護,。這種方案滿足GR 1089-
Core，Issue 6對建筑內和建筑外PoE的浪涌與電源故障的要求,?？梢杂靡恢?.3A的PTC器件代替熔絲，以滿足ITU K.20/21增強版和基本版的要求,，它包括對10BaseT以太網(wǎng)的調整條款,。不過，對于100和1000BaseT,，要采用一對適當尺寸的精密(1%)電阻,，強制做次級與初級保護器之間的協(xié)調。
圖5給出了數(shù)據(jù)對保護以及PD中心抽頭電源連接保護,，它符合對PD系統(tǒng)的Mode A和Mode B PoE電源要求,。PD Mode A和Mode B PoE均由一個二極管橋和一個1000W TVS器件保護。對于更嚴酷的浪涌環(huán)境,，現(xiàn)在也有更強大的1500W和3000W方案,，如管理標準ITU K.20 Enhanced或GR-1089 Port Type 5所描述的。
圖5，一個PoE系統(tǒng)保護實例同時包括了數(shù)據(jù)對保護與PD電源連接保護,。對PD端電源部分的TVS保護同時滿足Mode A和Mode B PoE
電源?，F(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的過流保護,。
隨著電源PoE系統(tǒng)的增多,，開發(fā)商正在將以太設備安裝到越來越危險的區(qū)域,，那里會有閃電導致的過壓，以及50Hz~60Hz的電力線故障,。審慎地使用雙向浪涌保護器件,、TVS二極管、熔絲以及PTC器件,，就可以確保在這些危險下的可靠運行,。