張緒坤 朱余浩 秦祥宏

摘? 要：在POE交換機(jī)產(chǎn)品網(wǎng)口的浪涌測(cè)試中，不同的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)使測(cè)試項(xiàng)目、拓?fù)鋱D、阻抗有很大的差異，同一個(gè)產(chǎn)品測(cè)試的結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)差異性。文章依據(jù)國(guó)內(nèi)、歐盟的認(rèn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)POE端口浪涌測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的梳理，從實(shí)際的項(xiàng)目出發(fā)，通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出POE接口的保護(hù)器件選型注意事項(xiàng)、防護(hù)設(shè)計(jì)方案，并且對(duì)方案的防護(hù)原理進(jìn)行了深入的分析。

關(guān)鍵詞：POE;交換機(jī);浪涌防護(hù);浪涌測(cè)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(jī)產(chǎn)品網(wǎng)口的浪涌測(cè)試，筆者暫未在行業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)其完整的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法介紹，POE網(wǎng)口浪涌測(cè)試應(yīng)該依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、合理的測(cè)試方式以及完全符合最新標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)形式都不明確。本文基于共進(jìn)電子24口POE交換機(jī)、博通的POE芯片（BCM59121）系列產(chǎn)品進(jìn)行研究，就POE交換機(jī)產(chǎn)品的認(rèn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法、設(shè)計(jì)方案做了較為詳細(xì)的介紹。

1? POE交換機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)介紹

POE交換機(jī)產(chǎn)品按照產(chǎn)品類別劃分為2個(gè)類別：信息技術(shù)設(shè)備類、電信終端設(shè)備類，所以在認(rèn)證測(cè)試時(shí)候需要符合信息技術(shù)設(shè)備和電信終端設(shè)備類標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)3C認(rèn)證需要按照GB/T 9254、GB 17625.1、GB 17625.2、GB/T 17618、YD/T 993相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。歐盟CE認(rèn)證需要按照EN 55032、EN 61000-3-2、EN 61000-3-3、EN 55035、EN 300386等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。實(shí)際上認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17618、EN 300386在設(shè)計(jì)上是比較容易達(dá)到的，而電信終端產(chǎn)品行業(yè)上有一份抗干擾的標(biāo)準(zhǔn)：ITU-T K.21，相對(duì)于認(rèn)證的抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格很多。而且大部分國(guó)外客戶都要求產(chǎn)品符合國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）抗干擾的ITU-T K.21標(biāo)準(zhǔn)，其更新的速度非常快，幾乎每年度會(huì)有新的版本，甚至1年內(nèi)更新2個(gè)版本，每次升級(jí)版本都是在加強(qiáng)對(duì)各個(gè)功能接口的抗干擾能力的要求。由于標(biāo)準(zhǔn)的更新，需要更新設(shè)計(jì)方案來(lái)滿足新的標(biāo)準(zhǔn)需求。

2? 關(guān)于POE交換機(jī)產(chǎn)品ITU-T K.21標(biāo)準(zhǔn)的需求

ITU-T K.21標(biāo)準(zhǔn)版本非常多，近幾年一直在更新，每個(gè)版本的升級(jí)都在不斷完善和提高測(cè)試的需求。POE交換機(jī)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)POE接口的測(cè)試模式、波形、內(nèi)阻、等級(jí)、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(cè)試要求。

針對(duì)表1測(cè)試項(xiàng)目，做如下4點(diǎn)說(shuō)明：

（1）POE的接口通常都會(huì)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(biāo)準(zhǔn)中增加了端口對(duì)地的電力線接觸（AC230 V 50 Hz）的要求。

（2）POE電源差?；镜燃?jí)2.5 kV、中間等級(jí)要求4.0 kV、加強(qiáng)等級(jí)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(cè)試加強(qiáng)等級(jí)，共模5 Ω、阻抗6.0 kV的共模測(cè)試需求，額定脈沖電壓測(cè)試完成后還需要滿足DC500 V 2 MΩ的絕緣電阻的需求，為保護(hù)器件選型需要提高保護(hù)器件的啟動(dòng)電壓。

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

3? POE接口標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法

3.1? ITU-T K.21標(biāo)準(zhǔn)要求

關(guān)于安裝在客戶現(xiàn)場(chǎng)的電信通信設(shè)備過(guò)電壓和過(guò)電流的抗干擾能力要求，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）制定的ITU-T K.21—2019標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)POE口和網(wǎng)口的測(cè)試波形、內(nèi)阻、等級(jí)的要求如表1所示，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)POE交換機(jī)需要符合POE和網(wǎng)口的要求。POE電源測(cè)試差模為第（1）項(xiàng)，網(wǎng)口需要測(cè)試（2）～（5）項(xiàng)。

（1）ITU-T K.21標(biāo)準(zhǔn)中POE差模測(cè)試采用1.2/50-8/ 20 μs組合波，POE差模測(cè)試拓?fù)鋱D如圖1所示，浪涌發(fā)生器（combination wave generator）的高壓輸出端通過(guò)電阻R1接至POE電源的1個(gè)極性（正極或者負(fù)極），浪涌發(fā)生器Return端接至POE電源的另外一個(gè)極性，正負(fù)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(yàn)，該測(cè)試需滿足絕緣阻抗的需求，測(cè)試完成絕緣不能被擊穿，其標(biāo)準(zhǔn)是需要滿足采用500 V DC的兆歐表、測(cè)試絕緣大于2 MΩ的阻抗要求。網(wǎng)口沖擊電壓測(cè)試拓?fù)鋱D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(shí)施加到8根網(wǎng)線進(jìn)行測(cè)試。浪涌發(fā)生器的Return端接至參考接地板（EUT reference bar），同時(shí)交換機(jī)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(cè)試的拓?fù)浣Y(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(hào)，儀器的負(fù)極接在參考接地板上，參考接地板連接到交換機(jī)的接地端子，測(cè)試絕緣電阻需要大于2 MΩ。

（4）網(wǎng)口共模浪涌測(cè)試（端口對(duì)地），測(cè)試限流電阻為8顆10 Ω的電阻每根信號(hào)線串聯(lián)1顆，網(wǎng)口共模測(cè)試拓?fù)鋱D如圖4所示，浪涌發(fā)生器的高壓端通過(guò)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(jī)的接地端子相連接。此項(xiàng)目測(cè)試非常嚴(yán)格，因?yàn)?顆電阻并聯(lián)后10 Ω/8=1.25 Ω，所以選擇保護(hù)器件時(shí)候需要特別注意器件的通流量。

（5）網(wǎng)口的電力線接觸測(cè)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(cè)試拓?fù)鋱D如圖5所示，測(cè)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(jī)的接地端子，測(cè)試時(shí)間為15分鐘，儀器內(nèi)部測(cè)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試需求

IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于網(wǎng)口測(cè)試的測(cè)試波形、內(nèi)阻、等級(jí)要求如表2所示，當(dāng)網(wǎng)口定義為內(nèi)部接口時(shí)采用1.2/50-8/20 μs組合波進(jìn)行測(cè)試，非屏蔽對(duì)稱接口線對(duì)地測(cè)試拓?fù)鋱D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(hào)線，浪涌發(fā)生器Return端接地，連接到POE的接地端子。當(dāng)網(wǎng)口定義為外部通信接口時(shí)采用10/700-5/320 μs組合波進(jìn)行測(cè)試，外部非屏蔽對(duì)稱接口線對(duì)地測(cè)試拓?fù)鋱D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(hào)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(jì)方案需要解決的2個(gè)問(wèn)題

（1）POE端口的雷擊防護(hù)問(wèn)題，達(dá)到現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ITU-T K.21—2019）及客戶要求，要求達(dá)到POE電源差模 6.0 kV、共模6.0 kV，絕緣性能達(dá)到DC 500 V兆歐表2 MΩ以上、同時(shí)滿足共模電力線搭接的要求。

（2）POE端口同時(shí)從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌龋梢詺w到網(wǎng)口的一類，所以還需要按照ITU-T K.21的標(biāo)準(zhǔn)滿還需要滿足5 Ω阻抗、8*10 Ω阻抗的6.0 kV共模測(cè)試需求，測(cè)試波形為1.2/50-8/20 μs波形。

5? POE交換機(jī)的EMC設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案主要包括POE電源的共模、差模防護(hù)和網(wǎng)口的共模、差模防護(hù)，方案按照下面6點(diǎn)進(jìn)行。

（1）POE電源的共模防護(hù)方案通過(guò)在POE電壓正端增加1顆壓敏電阻RV1防護(hù)，防護(hù)的規(guī)格要求：電壓滿足500 V的絕緣DC耐壓需求，保護(hù)器件啟動(dòng)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(jí)需求，通過(guò)計(jì)算，所有對(duì)地的保護(hù)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(gè)防護(hù)器件則為1.846/n kA。按照該原則選取器件，如POE交換機(jī)網(wǎng)口浪涌設(shè)計(jì)原理圖8的RV1的共模防護(hù)壓敏電阻。

（2）共模防護(hù)方案，POE電源的負(fù)向保護(hù)可以采用兩種方案：1）每個(gè)端口增加1顆防護(hù)器件;2）全部端口采用1顆防護(hù)器件，此方案每個(gè)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(duì)更低，故大多采用此方案，其中保護(hù)器件RV2的選型可參考RV1進(jìn)行。

（3）POE電源的差模防護(hù)方案采用TVS進(jìn)行防護(hù)，在滿足正負(fù)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(dāng)降低電壓至48.0 V*1.1=52.8 V，具體根據(jù)交換機(jī)的實(shí)際輸出電壓范圍來(lái)選型。通流量的需求，通過(guò)計(jì)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(gè)原則進(jìn)行選型。

（4）共模保護(hù)方案的網(wǎng)口部分，可采用多個(gè)網(wǎng)口進(jìn)行防護(hù)，將多個(gè)網(wǎng)口的中心抽頭連接在一起，并接向Bob Smith電路，共模防護(hù)器件和Bob Smith電路并聯(lián)。保護(hù)器件BG1的選項(xiàng)參考前面的壓敏電阻RV1、RV2進(jìn)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(jí)差分對(duì)之間增加小封裝的TVS進(jìn)行差模防護(hù);TVS2～TVS5需要考慮殘壓?jiǎn)栴}，可以選擇啟動(dòng)電壓3.3 V、通流量相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)差模的要求。ITU-T K.21的差模測(cè)試方法是通過(guò)1根信號(hào)對(duì)另外7根信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，會(huì)出現(xiàn)電源短路的問(wèn)題。故針對(duì)POE的接口，可以不考慮網(wǎng)口信號(hào)差模測(cè)試需求。

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

6? POE防護(hù)方案的浪涌防護(hù)原理分析

浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是需要控制浪涌大電流的流向和受保護(hù)的電路最終所承受的殘壓，保證被保護(hù)電路所承受的打擊最小。首先浪涌電流不能流過(guò)被保護(hù)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(dòng)電壓做到最低，因?yàn)橹挥袉?dòng)電壓低了，浪涌干擾的殘壓才會(huì)低。下面分析一下本方案各種測(cè)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(fù)極正向浪涌電流會(huì)通過(guò)二極管D1流向RV1，浪涌電壓擊穿RV1后流向機(jī)殼，最終通過(guò)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(jī)殼，最終通過(guò)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(kāi)了POE芯片，從而保護(hù)了芯片不受到損壞。

由POE共模負(fù)向浪涌電流流向分析可知，POE接口正負(fù)極負(fù)向浪涌電流流向RV1，浪涌電壓擊穿RV1后流向機(jī)殼，最終通過(guò)接地線流向大地。POE接口負(fù)極性負(fù)向浪涌電流流向通過(guò)二極管D3流向RV2，浪涌電壓擊穿RV2后流向機(jī)殼，最終通過(guò)接地線流向大地。POE共模負(fù)向浪涌電流流向如圖9淺灰色箭頭所示，浪涌電流避開(kāi)了POE芯片，從而保護(hù)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(hào)理論上不存在差模成分，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)差分信號(hào)對(duì)走線出現(xiàn)不平衡的時(shí)候，共模就會(huì)轉(zhuǎn)換成差模，從而損壞芯片，所以需要增加TVS2～TVS5來(lái)進(jìn)行次級(jí)差模防護(hù)。目前僅預(yù)留差模防護(hù)方案，根據(jù)實(shí)際的測(cè)試效果決定是否增加該方案。網(wǎng)口共模電壓通過(guò)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(jī)殼，最終通過(guò)接地線流向大地。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)共模浪涌電流流向及網(wǎng)口次級(jí)差模防護(hù)的差模電流流向如圖9中深灰色箭頭所示，該流向保護(hù)了后級(jí)POE交換機(jī)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(fù)極形成回路，從而保護(hù)了芯片不受到損壞，如圖10深色箭頭所示。

由POE差模負(fù)向浪涌電流流向分析可知，POE差模負(fù)向浪涌電流從POE電源負(fù)極流向二極管D1，再流向電源的正極，形成回路從而保護(hù)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(jī)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)需求入手，POE交換機(jī)產(chǎn)品浪涌測(cè)試需要根據(jù)ITU-T K.21和IEC 61000-4-5兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，分析POE端口按照這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法及測(cè)試拓?fù)?。針?duì)執(zhí)行新版標(biāo)準(zhǔn)需要解決什么問(wèn)題、怎樣測(cè)試才能滿足標(biāo)準(zhǔn)的需求，文中給出了可靠的設(shè)計(jì)方案，最后分析了POE交換機(jī)產(chǎn)品保護(hù)的方案原理。選好保護(hù)元器件、控制被保護(hù)芯片及電路的殘壓和浪涌干擾電流的流向，才能達(dá)到較好的防護(hù)效果。

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作者簡(jiǎn)介：張緒坤（1978.10—），男，漢族，江西武寧人，中級(jí)工程師，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電子產(chǎn)品EMC及RF設(shè)計(jì)。