提高PoE 供電系統(tǒng)雷擊浪涌防護可靠性的研究

林 天 李 山 陶德彪 蔡建華

中通維易科技服務有限公司

0 引言

隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的推進實施，我國正加快建設“光網(wǎng)城市”，打造“信息高速公路”，有效支撐“網(wǎng)絡強國”“數(shù)字中國”建設和數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展。為此，需要借助現(xiàn)有寬帶網(wǎng)絡，全面優(yōu)化無線終端設備接入FTTx 模式，獲取多樣化、個性化、安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡服務，進一步提升寬帶用戶的體驗。

為滿足不同場景無線覆蓋的需要，可以采用基于PoE（Power Over Ethernet）供電系統(tǒng)的智能AC（Access Controller）+AP（Access Point）組網(wǎng)的方式，實現(xiàn)“信號滿屋、無縫接入”，從而彌補信號覆蓋不完全的缺陷。無線終端接入設備的小型化導致PCB 空間越來越拮據(jù)，其高度的集成化也暴露了抗干擾性越來越脆弱的缺陷，因此必須重視提升PoE 供電系統(tǒng)對雷擊浪涌的防護能力。

1 雷電危害分析

1.1 雷電的放電特性

雷電的破壞作用主要是由雷電流引起的。雷電流在幾微秒內(nèi)由零突變到最大幅值，而電流幅值也在數(shù)十微秒內(nèi)急劇衰減下降，可見雷電流是一種幅值極大、作用時間極短的瞬變過程。在此過程中瞬間釋放出巨大的能量，對人、電子設備和建筑等都會造成極大危害。

1.2 雷電流泄放路徑

當雷擊發(fā)生在終端設備附近時，強大的雷電產(chǎn)生感應電流，通過傳輸信號線、設備間連接線和地埋電力線入侵，到達受電設備電源線并反擊到終端設備以太網(wǎng)接口、AP 以太網(wǎng)接口。由于計算機、PoE供電設備等都是浮地設備，當雷擊瞬間過電壓（過電流）超過設備端口設計的耐受水平時，極易過壓擊穿。感應電流從受電設備保護地線進行L－PE、N－PE 泄放大地；而局域網(wǎng)線則對邏輯地線等進行泄放。

1.3 標準要求及試驗波形

雷擊浪涌（沖擊）抗擾度是衡量電氣和電子設備對由于開關(guān)和雷電瞬變過電壓引起的單極性浪涌（沖擊）抗干擾的能力。建立統(tǒng)一的基準，用模擬雷擊干擾設備的方式來評價浪涌（沖擊）時的性能。作為基礎標準，GB/T 17626.5-2019《電磁兼容、試驗和測量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗》規(guī)定了試驗方法、測量技術(shù)和適用范圍等，具有系統(tǒng)性和指導性。作為產(chǎn)品標準，YD/T 993-2016《有線電信終端設備防雷技術(shù)要求及試驗方法》不僅專門針對有線電信終端設備浪涌抗擾度規(guī)定了具體技術(shù)要求和推薦了詳細的試驗程序，而且為有線電信終端雷電防護設計和雷擊過電壓（過電流）抗力試驗提供了重要技術(shù)依據(jù)，具有針對性和可實施性。

對電源適配器外部端口進行浪涌（沖擊）試驗。首先，在被測設備（EUT）阻抗未知時，由于在EUT 內(nèi)部存在沖擊保護元件，所以其動作后發(fā)生短路或起鉗位作用，或者絕緣閃絡、元器件擊穿等都會引起EUT 阻抗在沖擊作用下發(fā)生變化。其次，當EUT 處在由雷擊引起的電磁脈沖環(huán)境中時，沖擊電壓和沖擊電流之間會通過EUT 阻抗變化而相互轉(zhuǎn)化。由此可見，很難僅用單一沖擊電壓或沖擊電流來全面評價其性能。故采用1.2/50μs和8/20μs組合波，如圖1和圖2所示。即1.2/50μs為開路電壓波形，8/20μs 為短路電流波形。對于低阻抗EUT，組合波發(fā)生器模擬輸出8/20μs 波形，可作為沖擊電流發(fā)生器使用；對于高阻抗EUT，輸出1.2/50μs 波形，可作為沖擊電壓發(fā)生器。對通信端口RJ45以太網(wǎng)接口進行浪涌（沖擊）試驗，根據(jù)YD/T 993-2016標準，采用10/700μs 組合波發(fā)生器對其進行電壓等級浪涌試驗（浮地產(chǎn)品不做線-地浪涌試驗），如圖3 和圖4 所示。

圖1 組合波發(fā)生器電路原理圖（1.2/50μs-8/20μs）

圖2 1.2/50μs 開路電壓波形

圖3 組合波發(fā)生器電路原理圖（10/700μs-5/320μs）

圖4 開路電壓波形（10/700μs）

2 浪涌防護原理及常用器件

雷擊浪涌（沖擊）抗擾度作為EMC 重要的測試指標之一，通常運用EMC 三要素（電磁干擾源—耦合路徑—敏感源）使其無法形成有效干擾。對于雷擊浪涌，通過浪涌發(fā)生器輸出規(guī)定的波形，模擬確定的干擾源，經(jīng)線纜（電路）或空間等耦合路徑，傳導至接口芯片（器件）或疊加部分控制信號等敏感源。在所有EMC 測試項目中，浪涌（沖擊）具有速率較低的特點，常用的測試波形有1.2/50μs、8/20μs 和10/700μs，都是μs 級的波形，其高頻分量干擾也相對較小。通過利用電路中“疏”和“堵”兩種方式的浪涌保護設計思路來解決泄放路徑問題。“疏”的方式就是利用氣體放電管（GDT）、半導體放電管（TSS）、瞬態(tài)抑制二極管（TVS）等保護器件提供較低的阻抗回路，引導浪涌能量疏通泄放到大地，而在電路中并聯(lián)電容也能起到“疏”的作用；對于“堵”的方式，一般是采用電氣隔離的方法，如隔離變壓器、電感、電阻和串聯(lián)電容等器件，浪涌能量得到有效隔離，阻止傳導至后級電路。

3 試驗問題分析及措施

3.1 試驗測量

YD/T 993-2016 標準規(guī)定了雷擊浪涌（沖擊）抗擾度試驗等級為電源適配器交流端口L-N 和L、N-PE 均為6kV，波形為1.2/50μs、8/20μs 組合波，正負各5 次；通信端口RJ45 以太網(wǎng)接口縱向、橫向均為1.5kV，波形為10/700μs，正負各5次。結(jié)合GB/T 17626.5-2008 標準，對雷擊浪涌（沖擊）干擾進行相關(guān)試驗。試驗布置如圖5 所示。

圖5 浪涌施加到電源的原理圖和實物接線圖

3.2 試驗儀器

多功能雷擊浪涌發(fā)生器，SG-5010G，蘇州泰思特電子科技有限公司；全自動沖擊電流模擬器，S10C20，蘇州泰思特電子科技有限公司；數(shù)字存儲示波器，DSOX4104A，KEYSIGHT 公司；數(shù)字萬用表，F(xiàn)LUKE233，F(xiàn)LUKE 公司。

3.3 結(jié)果分析

通過2017 年廣東電信智能組網(wǎng)設備AC+面板AP 產(chǎn)品招標評價檢測發(fā)現(xiàn)，雷擊浪涌項目通過率不足20%。表1、表2 和表3 為具體測試結(jié)果，A-G 表示廠家。廠家A、B、D、E、F、G 提供的待測設備為AC+PoE 交換機一體化終端設備；廠家C 提供的待測設備為AC+PoE 交換機分體式終端設備。其中，B 和G 電源適配器交流端口未能通過差模干擾試驗。G 網(wǎng)絡側(cè)WAN 接口未能通過橫向試驗。A、D 和E 用戶側(cè)LAN 接口（PoE）未能通過橫向試驗。H 的AP 面板網(wǎng)絡側(cè)WAN 接口未能通過橫向試驗。測試樣品在雷擊浪涌（沖擊）測試過程中發(fā)生不同程度的雷擊損壞，如電源適配器內(nèi)壓敏電阻（MOV）擊穿、通信端口RJ45 以太網(wǎng)接口炸裂、后級控制電路損壞等。

經(jīng)查看B 和G 電源適配器內(nèi)部電路并測量，發(fā)現(xiàn)電路上B 設置延時保險熔斷；G 設置延時保險未損壞，但與其并聯(lián)壓敏電阻失效。對于通信端口RJ45 以太網(wǎng)接口，一類是未采取特殊雷擊防護措施，完全依賴隔離變壓器的絕緣強度，出現(xiàn)擊穿或電痕現(xiàn)象；另一類是發(fā)生在第二級防護電路中，TVS 因過電流而燒毀損壞。

表1 AC 設備測試結(jié)果

表2 AP 面板測試結(jié)果

表3 PoE 交換機測試結(jié)果

3.4 措施及建議

對于交流電源端口，合理設置熔斷型保險絲，確保浪涌瞬間大電流不動作。其后直接使用MOV 也會存在老化和起火的風險。因此，在交流電源端口，采用GDT 與MOV 串聯(lián)，以便延長MOV 的使用壽命。當雷擊浪涌要求較高時，相應MOV 殘壓較高，當后級整流橋或場效應管（MOSFET）耐壓較低時，有可能導致整流橋或MOSFET 失效，可采用差模兩極防護方式，如圖6 所示，即在整流橋后再增加一個MOV或共模電感上并聯(lián)放電管，進一步抑制過電壓的沖擊，使其提高抗干擾能力。

圖6 增強型抑制過電壓電路

對于RJ45 以太網(wǎng)接口，PSE 端：PSE 芯片對以太網(wǎng)供電的管理主要是通過一個MOS 管（外置或內(nèi)置）來實現(xiàn)的。通常MOS 管的體二極管對產(chǎn)品的雷擊性能會有很大的影響，特別是PSE 芯片在PSE-N 線對機殼地打負向浪涌時特別容易損壞。那么，在PSE-N 線上加一個反向二極管，不會影響到PSE 芯片的正常工作，卻能阻斷浪涌通過體二極管的這條路徑，避免MOS 或者PSE 芯片損壞。PD 端：采用多級保護電路進行防雷，主要在以太網(wǎng)接口處采用半導體放電管（TSS）進行差模和共模保護；相比其他TSS 具有響應速度更快、電氣特性穩(wěn)定、通流量較低、長期可靠性等優(yōu)點；可在納秒級時間內(nèi)將電壓鉗位于比擊穿電壓更低的水平。在網(wǎng)絡芯片與網(wǎng)絡變壓器之間的信號線上加載ESD 器件，確保消除或降低通過網(wǎng)絡變壓器耦合到后端電壓的影響。

4 總結(jié)

在網(wǎng)使用未做防護或防護不合理的終端設備，都將面臨遭受雷擊損壞的風險，降低在網(wǎng)運行設備的安全性和穩(wěn)定性。結(jié)合GB/T 17626.5-2008 和YD/T 993-2016 標準，運用EMC三要素（干擾源—耦合路徑—敏感源）多途徑阻斷控制，使其無法形成有效干擾。確保在網(wǎng)運行的終端設備對雷擊浪涌（沖擊）防護留有足夠的裕量，根據(jù)實際需求可增加試驗電壓，以便適用于高雷暴日下的雷擊浪涌環(huán)境。