应用方案]以太网PoE：PD-侧电路设计及防雷解决方案

安防监控设备具有高效、紧凑、低成本的特点，以太网供电（PoE）的出现就满足了这些多样化的需求。此类安防设备已广泛应用于机场、火车站、商场等大型场景。

Voohu电子科技提供PoE系统解决方案，涵盖系统级组件供应、定制开发支持和深入的技术能力。这些解决方案辅以评估演示和全面的测试报告，加速了从设计到批量生产的整个过程。

1. 以太网通信基础设施

1.1 以太网通信电路组成
标准以太网通信电路由几个关键组件组成，形成从 RJ45 连接器到 PHY 芯片的完整信号路径：
RJ45连接器：物理网络连接端口，提供8针连接器，用于接收双绞线以太网电缆。
LAN变压器（以太网变压器）：提供RJ45和PHY芯片之间的电气隔离，增强共模抑制，保证频段内的高质量信号传输。
TVS阵列：提供针对过压威胁的保护，例如雷击浪涌、静电放电 (ESD)、电快速瞬变 (EFT) 和电缆放电事件 (CDE)。
以太网PHY芯片：实现物理层功能，将数字信号转换为模拟信号进行网络传输。

1.2 通信路径及保护机制
以太网通信的标准信号路径是：RJ45连接器→网络变压器→TVS阵列→以太网PHY芯片。
在此路径中，TVS阵列发挥着至关重要的保护作用。其低电容（通常为 0.4pF 至 5pF）可防止信号失真。 Wohu 的 TVS 阵列保持小于 1.5pF 的稳定寄生电容，最大限度地减少电路干扰，并提供出色的 ESD、EFT 和雷击抗扰度。

2. PoE受电设备（PD）电路结构

2.1 PoE系统概述
以太网供电（PoE）技术允许通过单根以太网电缆同时传输数据和电力，大大简化了终端设备的供电要求。 PoE系统符合IEEE 802.3标准，由供电设备（PSE）和受电设备（PD）组成。

2.2 PoE PD电路元件
一个完整的PoE PD电路由以下核心部件组成：

GDT（气体放电管）：提供初级雷电浪涌保护，通常位于电路的前端。
局部放电控制器：实施 PoE 协议，检测、分类并与 PSE 协商电源要求。
PoE电源变压器：专门设计的变压器可耦合数据信号和直流电源。
交流/直流转换器：将不稳定的直流输入转换为稳定的直流电压。
直流/直流转换器：进一步将电压调节至负载所需的精确水平。

3. 核心组件功能

3.1 接口及保护元件

RJ45 连接器和集成变压器
提供标准8P8C网络接口
集成网络变压器和以太网供电 (PoE) 支持
提供高达 1500V 的电气隔离

局域网变压器
实现信号隔离和阻抗匹配，作为以太网端口的通信桥梁。它们提供电气隔离并增强信号抗干扰能力，提供比传统电感器更高的传输速率，并有效抑制信号线上的共模噪声。

TVS阵列保护电路
TVS 阵列在以太网端口保护策略中至关重要，可在各种过压威胁下提供最低的钳位电压。 Voohu TVS 阵列提供：
ESD保护：±30kV（接触放电）/±30kV（空气放电）
EFT 保护：40A (5/50ns)
防雷浪涌：40A（8/20μs）

电源线CMC
实现信号隔离和阻抗匹配，作为以太网端口的通信桥梁。它们提供电气隔离并增强信号抗干扰能力，提供比传统电感器更高的传输速率，并有效抑制信号线上的共模噪声。

GDT（气体放电管）
作为针对高能浪涌的第一级保护，它们吸收大部分浪涌能量。它们的响应速度比 TVS 慢，但能量吸收能力更强。

Voohu 的 POE 保护解决方案采用 2 级保护，确保高温下可靠运行和信号完整性。满足IEC61000-4-2，4级，30kV接触放电和30kV空气放电。（测试条件：IEC61000-4-510/700μs、40Ω、6kV、±5个周期。）

POE电源变压器
提供稳定的POE电源滤波和降压功能，保证电源持续稳定输出，有效滤除高频噪声和干扰，满足IEEE 802.3at/af标准，支持-40°C至+125°C全温度范围可靠运行。

3.2 电源管理组件
局部放电控制器
主要功能包括：
检测：识别设备是否是符合 IEEE 802.3 标准的 PD
分类：指示 PSE 所需的功率级别
Power-on：检测分类后安全连接电源
监控：持续监控输入功率并实施保护措施

隔离式 DC/DC 转换器

主要功能包括：
电压换算：实现从输入到输出的高效直流电压转换
电流隔离：在初级侧和次级侧之间提供安全的电气隔离屏障
调节输出：保持精确稳定的输出电压，保证下游电路可靠运行
故障保护：实时监控系统状态并实施过流、过压、过温保护

4. PoE电源转换过程：从45V到3.3V

第一阶段：PoE 输入和整流
PSE 设备通过以太网线对提供 44-57V 直流电压。
PD 控制器可管理浪涌电流，以防止系统启动期间出现过度浪涌。
集成的理想二极管电桥可确保正确连接，无论极性如何。

第 2 阶段：隔离转换
初级隔离 DC/DC 转换器将未稳压的 45V 输入转换为 12V 中间电压。
反激式拓扑用于实现高效隔离。例如，TIDA-010083 参考设计使用具有同步整流功能的反激式器件，可实现高达 92% 的效率。
确保1500V基本隔离，满足安全标准。

第 3 阶段：点-负载-负载转换
使用高效降压转换器（例如 TPS62801）将 12V 转换为 3.3V。
采用同步整流来提高转换效率。
提供精确的电压调节（优于±2%）以满足现代电子元件的严格要求。

5. 实际电路设计注意事项

5.1 PCB 布局和隔离
在以太网端口设计中，爬电距离和电气走线间隙对于安全性和可靠性至关重要。实验室测试表明，要承受2kV瞬态电压，FR4电路板走线间距至少应为25mil。
隔离策略：
数据通道：通过网络变压器实现信号隔离。
电源通道：通过 DC/DC 转换器实现电源隔离。
接地层：独立的模拟和数字接地以及屏蔽层。

5.2 热管理和效率优化
选择高效转换拓扑（例如有源钳位反激式）；
使用低-RDS(on) MOSFET来降低开关损耗；
设计适当的铜区域和散热孔；
使用多级功率转换来优化整体效率。

以太网通信和PoE供电电路是高度集成的混合信号系统，巧妙地将高频数据通信与高效电力传输结合起来。从不稳定的 45V PoE 输入到稳定的 3.3V 输出的转换过程涉及多个阶段的复杂电源管理，每个阶段都有其独特的设计挑战和解决方案。

通过适当的元件选择、仔细的 PCB 布局和严格的保护策略，可以构建可靠、高效且符合标准的以太网 PoE 供电设备，以满足现代互联设备中对同步数据和电力传输不断增长的需求。

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