PoE系统闪电浪涌及其它电气伤害保护

 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