Littelfuse設(shè)計(jì)手冊(cè):防止PoE系統(tǒng)遭受雷擊和其他電氣危害
發(fā)布時(shí)間:2012-08-17 責(zé)任編輯:abbywang
導(dǎo)言:以太網(wǎng)供電(Power over Ethernet,PoE)系統(tǒng)不需要對(duì)連接的設(shè)備使用電源和電纜,而且不需要將設(shè)備定位在交流電源插座附近,因此正逐漸變得日益流行。 近年來(lái)的發(fā)展使PoE 能夠提供高達(dá) 30W 的電源(即 PoE+),這反過(guò)來(lái)增加了潛在應(yīng)用的數(shù)量。 現(xiàn)在,以太網(wǎng)能夠?yàn)?VoIP(互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音協(xié)議)電話設(shè)備、擴(kuò)展的無(wú)線接入點(diǎn)和監(jiān)視攝像頭提供充分的電源。
雖然更高功率水平已證明對(duì)許多設(shè)計(jì)人員是一種福音,但它們還使用戶能夠?qū)⑦@些設(shè)備移到室外,或者移入使設(shè)備遭受雷擊、ESD 放電和意外電源故障的其他環(huán)境。 因此,提供合適的電路保護(hù)非常重要。
TVS 二極管提供雷電保護(hù)
選擇適合特定設(shè)備的雷電保護(hù)取決于設(shè)備遭受雷擊的方式。 對(duì)于室內(nèi)嚴(yán)重程度低的應(yīng)用,可以在二級(jí)位置和三級(jí)位置中 RJ-45 和以太網(wǎng) PHY(物理)層之間使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管陣列。 (參見(jiàn)圖 1.)
雷擊引起的電涌事件在幾納秒內(nèi)激活 TVS 二極管陣列TVS1,提供鉗位功能,將突如其來(lái)的電涌引離敏感的以太網(wǎng)線路驅(qū)動(dòng)器電路。 TVS2 將通過(guò)變壓器耦合的所有殘余電涌鉗位。 對(duì)于更穩(wěn)健的方法,可以為每個(gè)線對(duì)使用 TVS二極管陣列;否則,一個(gè) TVS 陣列可以保護(hù)兩個(gè)線對(duì),如同 TVS2 那樣。 涉及長(zhǎng)期 50- 和 60-Hz 波形的電源故障事件,在 TVS 設(shè)備提供電流路徑之后,激活 1.25A 保險(xiǎn)絲 F1至 F4。
供電設(shè)備保護(hù)
在供電設(shè)備 (PD) 端,必須能夠防止 57 - 90 V 電涌,前提是一切電涌難以超過(guò) 100V。 電涌保護(hù)設(shè)備的觸發(fā)電壓應(yīng)大于可能在電纜上出現(xiàn)的任何穩(wěn)定狀態(tài)的電壓。 PoE 電壓可以達(dá)到 57 V,因此,設(shè)備不得在此電壓或低于此電壓時(shí)觸發(fā)。
這種方法還可以防止電涌保護(hù)器在電源分類測(cè)試或阻性電源恢復(fù)測(cè)試期間打開。 而且,某些電源系統(tǒng)提供 48 V 電壓,而其他一些電源系統(tǒng)提供的電壓為 -48 V,因此保護(hù)設(shè)備不得區(qū)分極性。 在此情況下,設(shè)計(jì)人員通常采用雙向半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備。 (參見(jiàn)圖 2.) 固態(tài)消弧設(shè)備僅在可用電流低于指定的保持電流時(shí)重置。 這種設(shè)置不是問(wèn)題,因?yàn)樗梢詮墓?yīng)電源的設(shè)備 (PSE) 吸收過(guò)多的電流,在過(guò)流情況下暫時(shí)關(guān)機(jī),使半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)器重置。
數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)線中的保險(xiǎn)絲提供必要的過(guò)流保護(hù),對(duì)一級(jí) GR-1089 事件的雷擊引起的過(guò)壓電涌不敏感。 雙向半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備 IC1 至 IC4 或 SIDACtor設(shè)備(參見(jiàn)圖3.)提供過(guò)壓消弧保護(hù)方法,根據(jù) GR-1089 第 6 版,這種方法符合一級(jí)和二級(jí)雷擊電涌。
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IC1 至 IC4 的兩根偏置導(dǎo)線連接到小于保護(hù)設(shè)備打開閾值電壓的所有可用電壓桿,使關(guān)閉狀態(tài)的電容保持穩(wěn)定,并幫助保持信號(hào)完整性。 對(duì)于 48 V PoE,雙向半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備 IC1 至 IC4 可以具有 58 V 的最小閾值。PoE 電壓高于 57 V 的不合規(guī) IEEE 802.3 系統(tǒng)需要具有更高最小閾值的保護(hù)設(shè)備。
三級(jí)或芯片側(cè)方法是一個(gè) TVS 二極管軌鉗位陣列,即TVS3,它可以在耦合變壓器之后提供額外的保護(hù)。 BobSmith 終端是一種減少數(shù)據(jù)對(duì)以一致的方法相互關(guān)聯(lián)的多對(duì)導(dǎo)體系統(tǒng)上縱向或共模電流的方法。如果使用Bob Smith終端,您應(yīng)對(duì)終端進(jìn)行電容隔離,從而使它們不會(huì)承載PoE 電源。 這種組合式金屬/微分和縱向/共模保護(hù)方法需要在傳輸對(duì)和接收對(duì)的導(dǎo)線上安裝保險(xiǎn)絲。
不采用縱向模式的方法可能只要求一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)安裝一根保險(xiǎn)絲,適用于較低數(shù)據(jù)速率的以太網(wǎng),例如 10BaseT。 對(duì)于 100 和 1000BaseT 系統(tǒng),謹(jǐn)慎起見(jiàn),將相同的保險(xiǎn)絲組件置于數(shù)據(jù)對(duì)的兩個(gè)引腳中,以保護(hù)回路平衡。
如果保護(hù)性半導(dǎo)體晶閘管設(shè)備的引腳 3 和 6 沒(méi)有連接到地線,而是對(duì) 10BaseT 以太網(wǎng)系統(tǒng)保持開路,則可以采用單保險(xiǎn)絲的方法。 由于 IEEE 802.3 出于電纜放電事件原因并不嚴(yán)格允許對(duì)耦合變壓器的主側(cè)采取共模保護(hù),半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備通常不連接到地線。 因此,大部分以太網(wǎng)方法取決于用于線端上縱向/共模保護(hù)的耦合變壓器的隔離電壓,而耦合變壓器的次要側(cè)上的三級(jí)位置可以連接到以太網(wǎng)線路驅(qū)動(dòng)器的接地基準(zhǔn)。
TVS3 是一種 2.5V TVS 二極管陣列,它在耦合變壓器的芯片側(cè)提供三級(jí)保護(hù)。 這種方法符合 GR 1089Core 第 6版的電涌和電源故障要求,適用于建筑物內(nèi)和建筑物間PoE。 您可以使用 0.3 A PTC 設(shè)備取代保險(xiǎn)絲,以符合ITU K.20/21(增強(qiáng)和基本)要求,其中包含 10BaseT 以太網(wǎng)的協(xié)調(diào)條款。
但是,對(duì)于 100 和 1000BaseT,您可以使用一對(duì)相應(yīng)大小、精密度百分之一的電阻來(lái)促進(jìn)次要保護(hù)器和主要保護(hù)器之間的協(xié)調(diào)。
圖 4 顯示的是符合系統(tǒng) PD 端的模式 A 和模式 B PoE 電源的 400W TVS 方法。 對(duì)于更惡劣的電涌環(huán)境(例如監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn) ITU K.20 增強(qiáng)或 GR-1089 端口類型 5 描述的環(huán)境),也可以采用更穩(wěn)健的 1500 和 3000W 方法。
隨著 PoE 系統(tǒng)提供的電源逐漸增加,開發(fā)人員不斷在危險(xiǎn)性更高(從雷擊引起的過(guò)壓和 50 至 60 Hz 電源線路故障)的區(qū)域中安裝以太網(wǎng)設(shè)備。 合理地使用雙向電涌保護(hù)設(shè)備、TVS 二極管、保險(xiǎn)絲和 PTC 設(shè)備可以幫助確保設(shè)備在這些危險(xiǎn)環(huán)境中可靠工作。
雖然更高功率水平已證明對(duì)許多設(shè)計(jì)人員是一種福音,但它們還使用戶能夠?qū)⑦@些設(shè)備移到室外,或者移入使設(shè)備遭受雷擊、ESD 放電和意外電源故障的其他環(huán)境。 因此,提供合適的電路保護(hù)非常重要。
TVS 二極管提供雷電保護(hù)
選擇適合特定設(shè)備的雷電保護(hù)取決于設(shè)備遭受雷擊的方式。 對(duì)于室內(nèi)嚴(yán)重程度低的應(yīng)用,可以在二級(jí)位置和三級(jí)位置中 RJ-45 和以太網(wǎng) PHY(物理)層之間使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管陣列。 (參見(jiàn)圖 1.)
雷擊引起的電涌事件在幾納秒內(nèi)激活 TVS 二極管陣列TVS1,提供鉗位功能,將突如其來(lái)的電涌引離敏感的以太網(wǎng)線路驅(qū)動(dòng)器電路。 TVS2 將通過(guò)變壓器耦合的所有殘余電涌鉗位。 對(duì)于更穩(wěn)健的方法,可以為每個(gè)線對(duì)使用 TVS二極管陣列;否則,一個(gè) TVS 陣列可以保護(hù)兩個(gè)線對(duì),如同 TVS2 那樣。 涉及長(zhǎng)期 50- 和 60-Hz 波形的電源故障事件,在 TVS 設(shè)備提供電流路徑之后,激活 1.25A 保險(xiǎn)絲 F1至 F4。
供電設(shè)備保護(hù)
在供電設(shè)備 (PD) 端,必須能夠防止 57 - 90 V 電涌,前提是一切電涌難以超過(guò) 100V。 電涌保護(hù)設(shè)備的觸發(fā)電壓應(yīng)大于可能在電纜上出現(xiàn)的任何穩(wěn)定狀態(tài)的電壓。 PoE 電壓可以達(dá)到 57 V,因此,設(shè)備不得在此電壓或低于此電壓時(shí)觸發(fā)。
這種方法還可以防止電涌保護(hù)器在電源分類測(cè)試或阻性電源恢復(fù)測(cè)試期間打開。 而且,某些電源系統(tǒng)提供 48 V 電壓,而其他一些電源系統(tǒng)提供的電壓為 -48 V,因此保護(hù)設(shè)備不得區(qū)分極性。 在此情況下,設(shè)計(jì)人員通常采用雙向半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備。 (參見(jiàn)圖 2.) 固態(tài)消弧設(shè)備僅在可用電流低于指定的保持電流時(shí)重置。 這種設(shè)置不是問(wèn)題,因?yàn)樗梢詮墓?yīng)電源的設(shè)備 (PSE) 吸收過(guò)多的電流,在過(guò)流情況下暫時(shí)關(guān)機(jī),使半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)器重置。
數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)線中的保險(xiǎn)絲提供必要的過(guò)流保護(hù),對(duì)一級(jí) GR-1089 事件的雷擊引起的過(guò)壓電涌不敏感。 雙向半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備 IC1 至 IC4 或 SIDACtor設(shè)備(參見(jiàn)圖3.)提供過(guò)壓消弧保護(hù)方法,根據(jù) GR-1089 第 6 版,這種方法符合一級(jí)和二級(jí)雷擊電涌。
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IC1 至 IC4 的兩根偏置導(dǎo)線連接到小于保護(hù)設(shè)備打開閾值電壓的所有可用電壓桿,使關(guān)閉狀態(tài)的電容保持穩(wěn)定,并幫助保持信號(hào)完整性。 對(duì)于 48 V PoE,雙向半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備 IC1 至 IC4 可以具有 58 V 的最小閾值。PoE 電壓高于 57 V 的不合規(guī) IEEE 802.3 系統(tǒng)需要具有更高最小閾值的保護(hù)設(shè)備。
三級(jí)或芯片側(cè)方法是一個(gè) TVS 二極管軌鉗位陣列,即TVS3,它可以在耦合變壓器之后提供額外的保護(hù)。 BobSmith 終端是一種減少數(shù)據(jù)對(duì)以一致的方法相互關(guān)聯(lián)的多對(duì)導(dǎo)體系統(tǒng)上縱向或共模電流的方法。如果使用Bob Smith終端,您應(yīng)對(duì)終端進(jìn)行電容隔離,從而使它們不會(huì)承載PoE 電源。 這種組合式金屬/微分和縱向/共模保護(hù)方法需要在傳輸對(duì)和接收對(duì)的導(dǎo)線上安裝保險(xiǎn)絲。
不采用縱向模式的方法可能只要求一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)安裝一根保險(xiǎn)絲,適用于較低數(shù)據(jù)速率的以太網(wǎng),例如 10BaseT。 對(duì)于 100 和 1000BaseT 系統(tǒng),謹(jǐn)慎起見(jiàn),將相同的保險(xiǎn)絲組件置于數(shù)據(jù)對(duì)的兩個(gè)引腳中,以保護(hù)回路平衡。
如果保護(hù)性半導(dǎo)體晶閘管設(shè)備的引腳 3 和 6 沒(méi)有連接到地線,而是對(duì) 10BaseT 以太網(wǎng)系統(tǒng)保持開路,則可以采用單保險(xiǎn)絲的方法。 由于 IEEE 802.3 出于電纜放電事件原因并不嚴(yán)格允許對(duì)耦合變壓器的主側(cè)采取共模保護(hù),半導(dǎo)體晶閘管電涌保護(hù)設(shè)備通常不連接到地線。 因此,大部分以太網(wǎng)方法取決于用于線端上縱向/共模保護(hù)的耦合變壓器的隔離電壓,而耦合變壓器的次要側(cè)上的三級(jí)位置可以連接到以太網(wǎng)線路驅(qū)動(dòng)器的接地基準(zhǔn)。
TVS3 是一種 2.5V TVS 二極管陣列,它在耦合變壓器的芯片側(cè)提供三級(jí)保護(hù)。 這種方法符合 GR 1089Core 第 6版的電涌和電源故障要求,適用于建筑物內(nèi)和建筑物間PoE。 您可以使用 0.3 A PTC 設(shè)備取代保險(xiǎn)絲,以符合ITU K.20/21(增強(qiáng)和基本)要求,其中包含 10BaseT 以太網(wǎng)的協(xié)調(diào)條款。
但是,對(duì)于 100 和 1000BaseT,您可以使用一對(duì)相應(yīng)大小、精密度百分之一的電阻來(lái)促進(jìn)次要保護(hù)器和主要保護(hù)器之間的協(xié)調(diào)。
圖 4 顯示的是符合系統(tǒng) PD 端的模式 A 和模式 B PoE 電源的 400W TVS 方法。 對(duì)于更惡劣的電涌環(huán)境(例如監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn) ITU K.20 增強(qiáng)或 GR-1089 端口類型 5 描述的環(huán)境),也可以采用更穩(wěn)健的 1500 和 3000W 方法。
隨著 PoE 系統(tǒng)提供的電源逐漸增加,開發(fā)人員不斷在危險(xiǎn)性更高(從雷擊引起的過(guò)壓和 50 至 60 Hz 電源線路故障)的區(qū)域中安裝以太網(wǎng)設(shè)備。 合理地使用雙向電涌保護(hù)設(shè)備、TVS 二極管、保險(xiǎn)絲和 PTC 設(shè)備可以幫助確保設(shè)備在這些危險(xiǎn)環(huán)境中可靠工作。
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