POE交換機浪涌防護設(shè)計及測試方法研究

張緒坤 朱余浩 秦祥宏

摘? 要：在POE交換機產(chǎn)品網(wǎng)口的浪涌測試中，不同的標準會使測試項目、拓撲圖、阻抗有很大的差異，同一個產(chǎn)品測試的結(jié)果也會出現(xiàn)差異性。文章依據(jù)國內(nèi)、歐盟的認證測試標準以及行業(yè)的測試標準對POE端口浪涌測試方法進行了詳細的梳理，從實際的項目出發(fā)，通過試驗總結(jié)出POE接口的保護器件選型注意事項、防護設(shè)計方案，并且對方案的防護原理進行了深入的分析。

關(guān)鍵詞：POE;交換機;浪涌防護;浪涌測試

Abstract：Surge testing of POE exchange products may vary greatly in terms of different standards，test items，topology diagrams and impedance，and the test results of the same product may also vary. Based on domestic and EU certification test standards and industry test standards，this paper makes a detailed review of POE port surge test methods. Based on the actual project，this paper summarizes the considerations for the selection of protective devices and the protection design scheme of POE interface through experiments，and makes an in-depth analysis of the protection principle of the scheme.

Keywords：POE;switch;surge protection;surge test

0? 引? 言

關(guān)于POE交換機產(chǎn)品網(wǎng)口的浪涌測試，筆者暫未在行業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)其完整的測試標準和方法介紹，POE網(wǎng)口浪涌測試應(yīng)該依據(jù)的標準、合理的測試方式以及完全符合最新標準要求的設(shè)計形式都不明確。本文基于共進電子24口POE交換機、博通的POE芯片（BCM59121）系列產(chǎn)品進行研究，就POE交換機產(chǎn)品的認證測試標準、測試方法、設(shè)計方案做了較為詳細的介紹。

1? POE交換機產(chǎn)品認證測試標準介紹

POE交換機產(chǎn)品按照產(chǎn)品類別劃分為2個類別：信息技術(shù)設(shè)備類、電信終端設(shè)備類，所以在認證測試時候需要符合信息技術(shù)設(shè)備和電信終端設(shè)備類標準，國內(nèi)3C認證需要按照GB/T 9254、GB 17625.1、GB 17625.2、GB/T 17618、YD/T 993相關(guān)標準進行測試。歐盟CE認證需要按照EN 55032、EN 61000-3-2、EN 61000-3-3、EN 55035、EN 300386等相關(guān)標準執(zhí)行。實際上認證的標準GB/T 17618、EN 300386在設(shè)計上是比較容易達到的，而電信終端產(chǎn)品行業(yè)上有一份抗干擾的標準：ITU-T K.21，相對于認證的抗擾度標準，該標準嚴格很多。而且大部分國外客戶都要求產(chǎn)品符合國際電信聯(lián)盟（ITU）抗干擾的ITU-T K.21標準，其更新的速度非?？欤瑤缀趺磕甓葧行碌陌姹?，甚至1年內(nèi)更新2個版本，每次升級版本都是在加強對各個功能接口的抗干擾能力的要求。由于標準的更新，需要更新設(shè)計方案來滿足新的標準需求。

2? 關(guān)于POE交換機產(chǎn)品ITU-T K.21標準的需求

ITU-T K.21標準版本非常多，近幾年一直在更新，每個版本的升級都在不斷完善和提高測試的需求。POE交換機嚴格來說需要符合POE端口和網(wǎng)絡(luò)端口的所有要求。下面將2019版ITU-T K.21標準對POE接口的測試模式、波形、內(nèi)阻、等級、判據(jù)等要求整理如表1所示。另外POE為帶電源供電的網(wǎng)絡(luò)傳輸端口，我們可以將其劃分為網(wǎng)口，所以其也需要滿足網(wǎng)口的測試要求。

針對表1測試項目，做如下4點說明：

（1）POE的接口通常都會定義成外部的通信接口，外部網(wǎng)絡(luò)端口在ITU-T K.21—2018標準中增加了端口對地的電力線接觸（AC230 V 50 Hz）的要求。

（2）POE電源差模基本等級2.5 kV、中間等級要求4.0 kV、加強等級要求6.0 kV的要求。

（3）將POE接口劃分為網(wǎng)口情況下，網(wǎng)口需滿足額定脈沖電壓測試加強等級，共模5 Ω、阻抗6.0 kV的共模測試需求，額定脈沖電壓測試完成后還需要滿足DC500 V 2 MΩ的絕緣電阻的需求，為保護器件選型需要提高保護器件的啟動電壓。

（4）網(wǎng)口共模還需要滿足8根信號線同時輸入、10 Ω*8阻抗、6.0 kV的干擾需求。

3? POE接口標準測試方法

3.1? ITU-T K.21標準要求

關(guān)于安裝在客戶現(xiàn)場的電信通信設(shè)備過電壓和過電流的抗干擾能力要求，國際電信聯(lián)盟（ITU）制定的ITU-T K.21—2019標準中針對POE口和網(wǎng)口的測試波形、內(nèi)阻、等級的要求如表1所示，嚴格來說POE交換機需要符合POE和網(wǎng)口的要求。POE電源測試差模為第（1）項，網(wǎng)口需要測試（2）～（5）項。

（1）ITU-T K.21標準中POE差模測試采用1.2/50-8/ 20 μs組合波，POE差模測試拓撲圖如圖1所示，浪涌發(fā)生器（combination wave generator）的高壓輸出端通過電阻R1接至POE電源的1個極性（正極或者負極），浪涌發(fā)生器Return端接至POE電源的另外一個極性，正負極性中間并聯(lián)R2電阻，圖中R1、R2各為10 Ω。

（2）網(wǎng)口電壓沖擊試驗，該測試需滿足絕緣阻抗的需求，測試完成絕緣不能被擊穿，其標準是需要滿足采用500 V DC的兆歐表、測試絕緣大于2 MΩ的阻抗要求。網(wǎng)口沖擊電壓測試拓撲圖如圖2所示，浪涌發(fā)生器的高壓輸出端接電阻R后將高壓同時施加到8根網(wǎng)線進行測試。浪涌發(fā)生器的Return端接至參考接地板（EUT reference bar），同時交換機的接地線接至參考接地板，圖中R限流電阻為5 Ω。

（3）網(wǎng)口絕緣阻抗測試的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，圖中UDC為500 V，儀器輸出端的正極串接電流表頭再連接網(wǎng)口的8根信號，儀器的負極接在參考接地板上，參考接地板連接到交換機的接地端子，測試絕緣電阻需要大于2 MΩ。

（4）網(wǎng)口共模浪涌測試（端口對地），測試限流電阻為8顆10 Ω的電阻每根信號線串聯(lián)1顆，網(wǎng)口共模測試拓撲圖如圖4所示，浪涌發(fā)生器的高壓端通過8顆電阻R并聯(lián)接至網(wǎng)絡(luò)端口，浪涌發(fā)生器的Return端接參考接地板，參考接地板和POE交換機的接地端子相連接。此項目測試非常嚴格，因為8顆電阻并聯(lián)后10 Ω/8=1.25 Ω，所以選擇保護器件時候需要特別注意器件的通流量。

（5）網(wǎng)口的電力線接觸測試中，外部網(wǎng)口需要滿足AC電力線接觸的要求，網(wǎng)口電力線搭接測試拓撲圖如圖5所示，測試儀器高壓端連接到8根網(wǎng)線短接，儀器Return端接POE交換機的接地端子，測試時間為15分鐘，儀器內(nèi)部測試的阻抗R=10、20、40、80、160、300、600、1 000 Ω、其中160、300、600、1 000 Ω為判據(jù)A，其他阻抗為判據(jù)B。

3.2? IEC 61000-4-5標準測試需求

IEC標準對于網(wǎng)口測試的測試波形、內(nèi)阻、等級要求如表2所示，當網(wǎng)口定義為內(nèi)部接口時采用1.2/50-8/20 μs組合波進行測試，非屏蔽對稱接口線對地測試拓撲圖如圖6所示，發(fā)生器高壓輸出端串接8顆320 Ω電阻并聯(lián)連接至網(wǎng)口8根信號線，浪涌發(fā)生器Return端接地，連接到POE的接地端子。當網(wǎng)口定義為外部通信接口時采用10/700-5/320 μs組合波進行測試，外部非屏蔽對稱接口線對地測試拓撲圖如圖7所示，發(fā)生器高壓輸出端串接8顆25 Ω電阻并聯(lián)連接至網(wǎng)口8根信號線，浪涌發(fā)生器Return端接地，連接到POE的接地端子。

4? 現(xiàn)階段設(shè)計方案需要解決的2個問題

（1）POE端口的雷擊防護問題，達到現(xiàn)有行業(yè)標準（ITU-T K.21—2019）及客戶要求，要求達到POE電源差模 6.0 kV、共模6.0 kV，絕緣性能達到DC 500 V兆歐表2 MΩ以上、同時滿足共模電力線搭接的要求。

（2）POE端口同時從信號傳輸?shù)慕嵌?，可以歸到網(wǎng)口的一類，所以還需要按照ITU-T K.21的標準滿還需要滿足5 Ω阻抗、8*10 Ω阻抗的6.0 kV共模測試需求，測試波形為1.2/50-8/20 μs波形。

5? POE交換機的EMC設(shè)計方案

設(shè)計方案主要包括POE電源的共模、差模防護和網(wǎng)口的共模、差模防護，方案按照下面6點進行。

（1）POE電源的共模防護方案通過在POE電壓正端增加1顆壓敏電阻RV1防護，防護的規(guī)格要求：電壓滿足500 V的絕緣DC耐壓需求，保護器件啟動電壓VBR（擊穿電壓）大于等于500 V*1.2=600 V。通流量需要滿足最高等級需求，通過計算，所有對地的保護器件需滿足8/20μs，電流波形需為6 kV/（2+10 Ω/8）=1.846 kA，如果有n個防護器件則為1.846/n kA。按照該原則選取器件，如POE交換機網(wǎng)口浪涌設(shè)計原理圖8的RV1的共模防護壓敏電阻。

（2）共模防護方案，POE電源的負向保護可以采用兩種方案：1）每個端口增加1顆防護器件;2）全部端口采用1顆防護器件，此方案每個端口需要增加3顆二極管配合使用。通常采用方案由于其成本相對更低，故大多采用此方案，其中保護器件RV2的選型可參考RV1進行。

（3）POE電源的差模防護方案采用TVS進行防護，在滿足正負壓差的基礎(chǔ)上需選型規(guī)范。VBR大于等于48.0 V* 1.2=57.6 V，通常需要選58.0 V左右的TVS，如果在殘壓不能滿足需求的情況下可以適當降低電壓至48.0 V*1.1=52.8 V，具體根據(jù)交換機的實際輸出電壓范圍來選型。通流量的需求，通過計算滿足6.0 kV的浪涌通流量，Ipp大于等于6 kV/（10+ 2）Ω=500 A，如圖8中TVS1按照這個原則進行選型。

（4）共模保護方案的網(wǎng)口部分，可采用多個網(wǎng)口進行防護，將多個網(wǎng)口的中心抽頭連接在一起，并接向Bob Smith電路，共模防護器件和Bob Smith電路并聯(lián)。保護器件BG1的選項參考前面的壓敏電阻RV1、RV2進行，但是為了預(yù)防網(wǎng)絡(luò)變壓器和PCB板差分走線的不平衡，需在網(wǎng)絡(luò)變壓器的次級差分對之間增加小封裝的TVS進行差模防護;TVS2～TVS5需要考慮殘壓問題，可以選擇啟動電壓3.3 V、通流量相對較大一些的器件，通?？梢赃x擇通流量在20 A左右的器件。

（5）網(wǎng)口差模部分，IEC 61000-4-5標準沒有對差模的要求。ITU-T K.21的差模測試方法是通過1根信號對另外7根信號進行測試，會出現(xiàn)電源短路的問題。故針對POE的接口，可以不考慮網(wǎng)口信號差模測試需求。

（6）防護電路參考POE交換機網(wǎng)口浪涌設(shè)計原理，如圖8所示。RV1、RV2為POE電源共模防護方案，BG1為網(wǎng)口的共模防護方案，TVS1為POE電源差模防護方案，TVS2～TVS5為網(wǎng)口信號差模保護方案，二極管D1～D3為防護方案浪涌電流流向控制元件。

6? POE防護方案的浪涌防護原理分析

浪涌防護設(shè)計實質(zhì)上就是需要控制浪涌大電流的流向和受保護的電路最終所承受的殘壓，保證被保護電路所承受的打擊最小。首先浪涌電流不能流過被保護的芯片，否則芯片就可能被浪涌打壞，其次就是我們所選器件在能滿足浪涌電流的前提下，啟動電壓做到最低，因為只有啟動電壓低了，浪涌干擾的殘壓才會低。下面分析一下本方案各種測試模式的浪涌干擾電流是如何流向的。

由POE共模正向浪涌電流流向分析可知，POE接口正負極正向浪涌電流會通過二極管D1流向RV1，浪涌電壓擊穿RV1后流向機殼，最終通過接地線流向大地。POE接口正極性正向浪涌電流流向RV1，浪涌電壓擊穿RV1后流向機殼，最終通過接地線流向大地。POE共模正向浪涌電流流向如圖9黑色箭頭所示，浪涌電流避開了POE芯片，從而保護了芯片不受到損壞。

由POE共模負向浪涌電流流向分析可知，POE接口正負極負向浪涌電流流向RV1，浪涌電壓擊穿RV1后流向機殼，最終通過接地線流向大地。POE接口負極性負向浪涌電流流向通過二極管D3流向RV2，浪涌電壓擊穿RV2后流向機殼，最終通過接地線流向大地。POE共模負向浪涌電流流向如圖9淺灰色箭頭所示，浪涌電流避開了POE芯片，從而保護芯片不受到損壞。

由網(wǎng)口浪涌共模電流分析可知，共模浪涌網(wǎng)口差分信號理論上不存在差模成分，但是當網(wǎng)絡(luò)差分信號對走線出現(xiàn)不平衡的時候，共模就會轉(zhuǎn)換成差模，從而損壞芯片，所以需要增加TVS2～TVS5來進行次級差模防護。目前僅預(yù)留差模防護方案，根據(jù)實際的測試效果決定是否增加該方案。網(wǎng)口共模電壓通過網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭電路擊穿氣體放電管BG1，浪涌電流從BG1流向機殼，最終通過接地線流向大地。網(wǎng)絡(luò)信號共模浪涌電流流向及網(wǎng)口次級差模防護的差模電流流向如圖9中深灰色箭頭所示，該流向保護了后級POE交換機的PHY芯片。

由POE差模正向浪涌電流流向分析可知，POE電源差模正向浪涌從電源的正極流向TVS1，浪涌電壓擊穿TVS1后，流向二極管D3后再流向POE電源的負極形成回路，從而保護了芯片不受到損壞，如圖10深色箭頭所示。

由POE差模負向浪涌電流流向分析可知，POE差模負向浪涌電流從POE電源負極流向二極管D1，再流向電源的正極，形成回路從而保護了芯片不受到損壞，如圖10中淺色箭頭所示。

7? 結(jié)? 論

本文從POE交換機產(chǎn)品的標準需求入手，POE交換機產(chǎn)品浪涌測試需要根據(jù)ITU-T K.21和IEC 61000-4-5兩個標準進行，分析POE端口按照這兩個標準的測試方法及測試拓撲。針對執(zhí)行新版標準需要解決什么問題、怎樣測試才能滿足標準的需求，文中給出了可靠的設(shè)計方案，最后分析了POE交換機產(chǎn)品保護的方案原理。選好保護元器件、控制被保護芯片及電路的殘壓和浪涌干擾電流的流向，才能達到較好的防護效果。

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作者簡介：張緒坤（1978.10—），男，漢族，江西武寧人，中級工程師，本科，學士學位，研究方向：電子產(chǎn)品EMC及RF設(shè)計。