CN102723706B - PoE端口过电压综合防护电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太网供电（PoE）端口过电压综合防护电路及其实现方法，该电路包括两级防护电路，其中：第一级防护电路采用三极气体放电管，用于实现雷击电流的对地泄放；第二级防护电路采用钳位型过压保护器件，用于实现第一级防护残压和静电防护；所述第一级防护电路和第二级防护电路之间，采用电阻和共模电感组合电路，以协调所述两级防护电路和器件之间的动作特性，达到在第一级防护电路和第二级防护电路间退耦的作用。采用本发明，能够提高保护线路的平衡性，降低共模过电压转化为差模过电压的幅值和能量，以提高防护效果。

Description

PoE端口过电压综合防护电路及其实现方法

技术领域

 本发明涉及以太网技术，尤其涉及一种以太网供电（PoE，Power Over Ethernet）端口过电压综合防护电路及其实现方法。

背景技术

 随着3G网络的建设，以太网供电(PoE)技术得到了极大的发展空间，该技术可以为无线接入点（AP，Access Point）、摄像头等利用以太网进行通信的各种设备提供数据通信和电力供应，大大简化了线路的铺设成本，使得该技术得到了大规模的应用。但随之而来的是PoE供电端口的防护问题日益突出，PoE端口既提供数据通信，也提供电力传输，这决定了其防护的特殊性，需要兼顾数据电路和PoE电路的防护。

目前针对PoE端口的防护方案受制于技术成熟度的制约，并没有形成一套被普遍接受和应用的方案，通过调研发现，目前普遍采用的PoE端口防护技术为两极防护，第一级用压敏电阻（MOV）或两极气体放电管，用于雷击浪涌主要能量的泄放；第二级采用瞬态电压抑制器（TVS），用于钳位浪涌电压；两极间一般采用电感实现退耦。但这样的方案主要存在以下几点不足：

1）共模防护级间对称性不足，在遭受大浪涌电流冲击时会产生较大的差模电压，会加重后级防护电路的负担，甚至无法起到防护作用，具体说明如下：

压敏电阻受制于自身工艺特性的限制，直流击穿电压的精度无法做到很高，相对额定值，一般会有±10%以内的偏差，那么两颗压敏电阻动作电压的偏差最大可达到额定值的20%，在遭受共模浪涌过电压侵袭时，两颗压敏电阻由于动作电压的不一致，将会产生过高的差模过电压，即共模过电压转化出了差模过电压．无论对于数据通信电路还是PoE供电电路，差模过电压具有很大的危害性，主要论述如下：对于数据通信电路而言，数据线路上的高频变压器能隔绝共模过电压，但无法阻隔差模过电压，差模过电压通过变压器后施加在后级通信芯片的管脚上，而通信芯片由于工艺特性对差模过电压的耐受能力都很弱，极易造成芯片的功能丧失或性能降低；对于PoE供电电路而言，差模过电压同样会施加在PoE控制芯片的各种信号脚和电源脚上，如芯片的48V正负极、MOSFET驱动信号、受电端设备（PD）探测信号、电流检测信号等，这些芯片管脚为CMOS电路，对过电压的承受能力弱，差模过电压易造成这些信号脚和电源脚的失效或性能降低；如果第一级采用二级气体放电管，则由于气体放电管工艺特性，其动作电压的误差为±20%，两颗气体放电管的动作电压误差可达40%，将会造成电源正负线对地浪涌过电压的严重不平衡，这将产生过高的差模过电压，同前述分析，该差模过电压极易造成后级电路的损坏。

2）第一级防护电路采用压敏电阻存在安全隐患，由于压敏电阻自身的工艺特性，在遭受浪涌冲击后，其内部结构会发生变化，动作电压会发生改变，即性能劣化，如果动作电压降低，则漏电流会增大，在48V电压长期作用下，压敏电阻可能会变得很烫，甚至起火，这将导致安全问题；而由于PoE供电电流不足1A，这使得通过保险丝配合防护难以实现，所以，安全问题难以解决，若该方案在工程上大量使用，安全隐患会比较大。

3）第一级采用气体放电管时会存在续流的问题，气体放电管是开关性器件，其处于工作状态时，电极间会由于弧光放电而处于短路状态，在过电压消失后，电极间依然会由于PoE供电电压而维持弧光放电，从而造成PoE电压间短路。

4）以前的方案集中于供电线路雷击防护，并没有提出综合防护的概念，其实端口的数据功能和PoE供电功能都需要防护，端口无论是失去了数据功能还是PoE供电功能都将是用户无法接受的，所以防护不能只针对其中一方来实施，而应将二者结合起来，共同防护。

5）以前的防护方案强调雷击防护，但PoE端口和单纯的数据端口或单纯的电源口相比有其特殊性，数据端口通过隔离耦合变压器实现数据电路的外部电路和内部的电气隔离，对于静电放电（ESD）的侵害有很强的防护能力；但PoE端口有PoE控制电路，这部分电路直接与外部电路相连接，易受外部静电侵袭。其中，PoE控制芯片及MOSFET都属于ESD敏感器件，容易受到静电侵袭而损坏或性能降低，MOSFET在电路上直接与数据接口相连，静电极易从端口侵入威胁MOSFET的安全；PoE控制芯片则有多个控制信号脚与电源线路直接连接，如MOSFET驱动信号、电流检测信号、PD探测信号等，这些信号在芯片内部为CMOS集成电路，对过电压的承受能力有限，静电同样可以从端口侵入造成这些信号的失效或性能降低，但以前的防护电路对静电防护关注不足。

发明内容

 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种PoE端口过电压综合防护电路及其实现方法，通过采用合适的防护电路和防护器件，提高保护线路的平衡性，降低共模过电压转化为差模过电压的幅值和能量，以提高防护效果；解决气体放电管固有的续流技术缺点；能够兼顾PoE供电端口的防护和数据端口的防护，以及兼顾雷击浪涌防护和静电防护；采用该防护电路和防护器件能够保证在器件失效的情况不会出现安全隐患。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种以太网供电PoE端口过电压综合防护电路，仅包括第二级防护电路，所述第二级防护电路均采用瞬态电压抑制器TVS器件。

其中：所述第二级防护电路适用于数据电路或PoE电路。

一种以太网供电PoE端口过电压综合防护电路，包括两级防护电路，其中：

第一级防护电路采用三极气体放电管，用于实现雷击电流的对地泄放；第二级防护电路采用钳位型过压保护器件，用于实现静电防护；所述第一级防护电路和第二级防护电路之间，采用电阻和共模电感组合电路，以协调所述两级防护电路和器件之间的动作特性，达到在第一级防护电路和第二级防护电路间退耦的作用。

其中：所述第一级防护电路，进一步采用所述三极气体放电管结合高分子正温度系数热敏感电阻PPTC的方式。

所述第二级防护电路的钳位型过压保护器件，为瞬态电压抑制器TVS器件。

所述电阻为绕线电阻器。

所述的TVS器件若用于数据接口的防护，则应放置于隔离变压器的次边。

一种以太网供电PoE端口过电压综合防护电路的实现方法，该方法包括：

在第一级防护电路中设置用于实现雷击电流的对地泄放三极气体放电管的步骤；

在第二级防护电路中采用用于实现静电防护的钳位型过压保护器件的步骤；以及，

在所述第一级防护电路和第二级防护电路之间，采用电阻和共模电感组合方式，以协调所述两级防护电路和器件之间的动作特性并达到在第一级防护电路和第二级防护电路间退耦的步骤。

所述第二级防护电路均采用瞬态电压抑制器TVS器件。

本发明的PoE端口过电压综合防护电路及其实现方法，具有以下优点：

采用本发明，能够使PoE端口过电压的防护效果得到全方位提升，具体表现在如下几个方面：

1）采用三极气体放电管做第一级保护，使得共模防护级间对称性得到极大的提升，可以很好的保证电源正负极间的共模防护动作一致性，最小化差模过电压的产生，从而起到更好的保护效果。经测试实验证明，采用该防护方法可以大大提高端口雷电流的防护等级，该级雷电流防护等级可达到3000A（8/20μS），这满足了绝大多数应用场合的需求。

2）气体放电管和PPTC配合使用可有效地解决气体放电管的续流问题，测试表明，在雷电流泄放瞬间，PPTC为低阻状态，不会影响雷电流的泄放；在雷电流泄放完成后，由于PoE供电电压的存在使得气体放电管处于续流状态，这时，PPTC将迅速变为高阻状态，切断PoE续流回路。经测试实验表明，由于PPTC相应速度快，使得PoE供电电压不会产生过大的跌落，可以保证设备的正常供电。

3）本发明提出综合防护的概念，防护电路可以实现数据和PoE电路的共同防护、浪涌和静电共同防护。对于PoE设备，其功能特点就在传输数据的同时可以传输电能，如果二者失去其一，对用户而言都是不能接受的，所以，PoE端口的防护必须二者兼顾，尽量使二者的防护器件共用，在保证防护效果的同时降低器件成本和对PCB空间的要求，在目前这个提倡节能减排、设备体积越来越小的时代，这对产品的设计是很重要的。从设备实际PCB 设计来看，这些防护器件可以在设备可接受的空间中布放，并不会使得端口器件密度过高而引发其它问题。实际静电测试，可以达到接触6KV和空气放电8KV的测试要求，这满足了绝大多数应用场合，所以，该方案既符合理论分析，又满足了工程实际应用。

附图说明

图1为本发明采用数据线供电端口的防护电路示意图；

图2为采用空闲线对进行供电的防护电路示意图；

图3为互联通信设备安放在室内时PoE电路全部采用TVS防护的简化电路示意图；

图4为互联通信设备安放在室内时数据电路和PoE电路全部采用TVS防护的简化电路示意图；

图5为线路出室时第一级防护电路和PoE第二级防护均采用差模TVS防护的电路示意图；

图6为图1所示去掉PPTC器件的防护电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的防护电路及其方法作进一步详细的说明。

图1为本发明采用数据线供电端口的防护电路示意图，如图1所示，为从网口RJ45到PoE控制电路和数据电路的完整防护电路。其中：第一级防护电路采用气体放电管（GDT）结合高分子正温度系数热敏感电阻（PPTC）的方式，第二级防护电路采用瞬态电压抑制器（TVS）的方式，两级防护间采用电阻和共模电感退耦。

现有气体放电管的特点是通流能力强，故利用它将雷击主要电流泄放到大地，是雷击防护中的重要措施；但由于气体放电管存在续流的固有缺点，而48V的PoE工作电压将会导致气体放电管无法自动熄弧，所以第一级防护电路将气体放电管与PPTC器件配合使用可很好的解决该问题。第二级防护电路采用瞬态电压抑制器（TVS）器件用于钳位过电压。TVS器件的特点是响应速度快，钳位电压精确，选择合适的TVS器件可使得被保护器件处于可承受的过电压范围内。为了协调第一级防护电路和第二级防护电路间的动作特性，确保两级防护电路都可起到应有的作用，级间需要设置退耦电路，本发明的上述方案采用了电阻和共模电感相结合的方式，能够使退耦效果最大化。

图2为采用空闲线对（第4、5线和第7、8线）进行供电的防护电路示意图，其原理同图1，故不再赘述。

本发明是采用完善的防护电路，适用于各种应用环境，尤其是较恶劣的应用环境，对于一些相对较好的应用环境，可以适当简化防护电路，具体示例如图3、图4所示。

【实施例一】

如果互联的通信设备都安放在室内，没有线路出室，且对数据口防护和PoE电路防护要求不高，为了降低成本，可以采用以下简化方案（以数据线供电方案为例），如图3所示，该方案删除了第一级防护电路，只留下了PoE电路的第二级防护电路，PoE电路全部采用TVS防护，这种防护方式的优点是防护电路简单，成本低，但防护能力较弱，端口整体可以承受1.5k V以内的雷击浪涌的冲击。

【实施例二】

如果互联的通信设备都布放在室内，没有线路出室，为了降低成本，可以采用以下简化方案：如图4所示，该方案删除了第一级防护电路，只留下了第二级防护电路，无论是数据电路还是PoE电路全部采用TVS防护，这种防护方式的优点是防护电路简单，成本低，但防护能力较弱，端口整体可以承受2k V以内的雷击浪涌的冲击。

下面以室外走线的应用为例，对本发明的防护电路进行说明。

【实施例三】

如果线路出室，则需要较强的防护能力，第一级防护必不可少，如果兼顾成本的要求，还可采用如图5所示的方案，该方案保留了第一级防护电路和PoE第二级防护中的差模防护TVS，由于气体放电管实现雷电流的泄放，如果印刷电路板（PCB）设计合理，隔离变压器性能优良，该防护电路可实现端口整体4KV的防护能力。

【实施例四】

该实施例适合对室外走线、可靠性要求较高的场合。

如果线路会出室，遭受大雷击能量的可能性较大，则需采用完善的方案，则可采用如图1或图2所示的完整防护方案，其防护电路采用两级防护电路，第一级防护电路泄放雷击大电流，第二级防护电路钳位过电压，从而起到完善的保护效果，如果PCB设计合理，器件选型正确，可达到6KV及以上的防护能力。

【实施例五】

还可采用PoE自身保护电路熄灭气体放电管电弧的方式，很多PoE电路都带有过流和短路保护功能，在气体放电管处于续流状态时，可以利用该保护功能熄灭电弧，但会造成PoE供电的短时中断，对该数据完整性要求不高的场合可去除PPTC。如图6所示。

如上所述，本发明的防护电路，具有以下特点：

1）该防护方案采用了两级防护电路，第一级防护电路采用三极气体放电管实现雷击电流的对地泄放，将雷电的主要能量在这一级泄放到保护地。三极气体放电管是将三个电极置于同一腔体内，当腔体内的惰性气体产生电离时，三个电极会迅速地达到电气连通的状态，时间差一般会小于200ns，某些厂商的产品可以做到80ns以内。我们将气体放电管的左右两侧的两个电极分别与被防护电极连接，中间电极与保护地连接，这就保证了两个保护电极对保护地的平衡性，该平衡性对平衡电路的防护非常重要，用该电路做平衡线路的共模过电压防护，可以使得由于线路不对称而产生的差模过电压最小化，而对于基于CMOS工艺的各种功能芯片，差模过电压最容易造成芯片管脚内部保护电路和其它电路的损坏，所以，降低差模过电压非常关键，而三极气体放电管正好满足了该要求，采用三极气体放电管较压敏电阻和两极气体放电管具有更优的防护效果。

2）气体放电管由于自身工艺特性，其存在续流的问题，在雷击能量导致其进入弧光放电状态后，维持此导通状态的电压只需20V左右，而PoE供电的直流电压达到50多伏，该电压会维持气体放电管的导通状态，这使得PoE的供电电压处于短路状态，PoE功能无法正常工作，本发明采用高分子正温度系数热敏感电阻（PPTC）器件与其串联，以起到促使气体放电管熄弧的目的。所述PPTC器件，具有响应速度快、动作点精确的优点，并且有自恢复特性，选择合适的PPTC器件，在气体放电管进入续流状态时，PPTC器件将快速地切断续流回路，从而熄灭气体放电管内部的电弧；并且，PPTC器件的自恢复特性可以保证在下次雷击发生时，防护电路可以正常工作，所以，采用PPTC很好地解决了气体管的续流问题，并且不降低防护性能。

3）采用气体放电管具有更高的安全性，气体放电管的结构特性决定了其失效模式为开路，而压敏电阻的失效模式以短路居多，这会造成安全隐患，所以，采用气体放电管具有更好的安全性。

4）第一级防护采用的两个三极气体放电管，其中一个的两侧电极分别连接于变压器收、发的中心抽头，在采用数据线供电时，该器件实现了PoE供电电路和数据电路的第一级防护；另一个气体放电管用于空闲线对的防护，由于气体放电管的通流容量大，所以多个端口的空闲线对可以共用一个气体放电管，这样可降低防护器件成本；如果供电端设备（PSE）采用空闲线对供电，连接于变压器中心抽头的气体放电管实现数据线的第一级防护，同样可多个端口共用一个气体放电管以降低成本，连接于空闲线对的气体放电管实现PoE电路的防护，从上述可见，第一级防护兼顾了数据线的防护和PoE供电电路的防护，实现了数据电路和PoE电路的综合防护。

5）第二级防护采用钳位型过压保护器件，最常用的是瞬态电压抑制器，即TVS，TVS具有相应速度快、钳位电压精确的优点，由于第一级防护电路只是实现了雷电大能量的对地泄放，它是一钟粗放型的防护，经过第一级防护后，雷电能量已大大减弱，但依然会存在较高的过电压，该电压会造成后级电路的损坏，所以第二级防护采用保护电压精准的TVS器件，可以依据被保护电路的特性及对过电压的承受能力，选择最合适的器件，以实现最佳的防护效果，故第二级防护器件的参数选择很重要，对于数据口防护，由于工作电压低，数据芯片对过电压的承受能力弱，故选择低电压的TVS，可选用3.3V或其它电压的规格；对于PoE电路防护，由于PoE工作电压可达57V，所以应选择额定工作电压高于此值的TVS，但不宜高出过多，否则将会影响防护效果；TVS的放置位置也很重要，它们应尽量靠近被保护器件，这样可实现最佳的防护效果。从上述看见，第二级防护同样兼顾了数据口防护和PoE电路防护。

6）第二级防护电路采用的TVS器件是很好的静电防护器件，所以防护电路在实现雷击防护的同时也实现了数据端口和PoE电路的静电防护。

7）为了协调两级防护电路间的动作特性，对于PoE电路的防护采用了共模电感加绕线电阻器组合的方式，对于共模雷击浪涌电流，这两种器件都能起到高阻抗的作用，这样可以很好的协调两级防护电路和器件间的动作特性，起到第一级防护电路和第二级防护电路间退耦的作用。所述TVS器件若用于数据接口的防护，则应放置于隔离变压器的次边，隔离变压器起到了协调两级防护电路动作特性，起到第一级防护电路和第二级防护电路间退耦的作用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种以太网供电PoE端口过电压综合防护电路，其特征在于，包括两级防护电路，其中：

第一级防护电路采用三极气体放电管，用于实现雷击电流的对地泄放；第二级防护电路采用钳位型过压保护器件，用于实现第一级防护残压和静电防护；所述第二级防护电路的钳位型过压保护器件，为瞬态电压抑制器TVS器件；所述TVS器件放置于隔离变压器的次边；所述第一级防护电路和第二级防护电路之间，采用电阻和共模电感组合电路，将气体放电管的两侧的两个电极分别与被保护电路相连并将中间电极接地，以协调所述两级防护电路和器件之间的动作特性，达到在第一级防护电路和第二级防护电路间退耦并将差模过电压最小化的作用；所述电阻为绕线电阻器；所述第一级防护电路，采用所述三极气体放电管结合高分子正温度系数热敏感电阻PPTC的方式。

2.一种以太网供电PoE端口过电压综合防护电路的实现方法，其特征在于，该方法包括：

在第一级防护电路中设置用于实现雷击电流的对地泄放三极气体放电管的步骤；

在第二级防护电路中采用用于实现静电防护的钳位型过压保护器件的步骤；所述第二级防护电路均采用瞬态电压抑制器TVS器件；并将所述TVS器件放置于隔离变压器的次边用于数据接口的防护；以及，

在所述第一级防护电路和第二级防护电路之间，采用电阻和共模电感组合方式，将气体放电管的两侧的两个电极分别与被保护电路相连并将中间电极接地，以协调所述两级防护电路和器件之间的动作特性并达到在第一级防护电路和第二级防护电路间退耦并使差模过电压最小化的步骤；所述第一级防护电路，采用所述三极气体放电管结合高分子正温度系数热敏感电阻PPTC的方式。