提高PoE 供電系統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”戰略的推進實施，我國正加快建設“光網城市”，打造“信息高速公路”，有效支撐“網絡強國”“數字中國”建設和數字經濟發展。為此，需要借助現有寬帶網絡，全面優化無線終端設備接入FTTx 模式，獲取多樣化、個性化、安全穩定的網絡服務，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）供電系統的智能AC（Access Controller）+AP（Access Point）組網的方式，實現“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，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。雷電流在幾微秒內由零突變到最大幅值，而電流幅值也在數十微秒內急劇衰減下降，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

當雷擊發生在終端設備附近時，強大的雷電產生感應電流，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接口、AP 以太網接口。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、試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗》規定了試驗方法、測量技術和適用范圍等，具有系統性和指導性。作為產品標準，YD/T 993-2016《有線電信終端設備防雷技術要求及試驗方法》不僅專門針對有線電信終端設備浪涌抗擾度規定了具體技術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依據，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 內部存在沖擊保護元件，所以其動作后發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生變化。其次，當EUT 處在由雷擊引起的電磁脈沖環境中時，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，組合波發生器模擬輸出8/20μs 波形，可作為沖擊電流發生器使用；對于高阻抗EUT，輸出1.2/50μs 波形，可作為沖擊電壓發生器。對通信端口RJ45以太網接口進行浪涌（沖擊）試驗，根據YD/T 993-2016標準，采用10/700μs 組合波發生器對其進行電壓等級浪涌試驗（浮地產品不做線-地浪涌試驗），如圖3 和圖4 所示。

圖1 組合波發生器電路原理圖（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，通過浪涌發生器輸出規定的波形，模擬確定的干擾源，經線纜（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 以太網接口縱向、橫向均為1.5kV，波形為10/700μs，正負各5次。結合GB/T 17626.5-2008 標準，對雷擊浪涌（沖擊）干擾進行相關試驗。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；數字存儲示波器，DSOX4104A，KEYSIGHT 公司；數字萬用表，FLUKE233，FLUKE 公司。

3.3 結果分析

通過2017 年廣東電信智能組網設備AC+面板AP 產品招標評價檢測發現，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 網絡側WAN 接口未能通過橫向試驗。A、D 和E 用戶側LAN 接口（PoE）未能通過橫向試驗。H 的AP 面板網絡側WAN 接口未能通過橫向試驗。測試樣品在雷擊浪涌（沖擊）測試過程中發生不同程度的雷擊損壞，如電源適配器內壓敏電阻（MOV）擊穿、通信端口RJ45 以太網接口炸裂、后級控制電路損壞等。

經查看B 和G 電源適配器內部電路并測量，發現電路上B 設置延時保險熔斷；G 設置延時保險未損壞，但與其并聯壓敏電阻失效。對于通信端口RJ45 以太網接口，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，出現擊穿或電痕現象；另一類是發生在第二級防護電路中，TVS 因過電流而燒毀損壞。

表1 AC 設備測試結果

表2 AP 面板測試結果

表3 PoE 交換機測試結果

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，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 以太網接口，PSE 端：PSE 芯片對以太網供電的管理主要是通過一個MOS 管（外置或內置）來實現的。通常MOS 管的體二極管對產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、電氣特性穩定、通流量較低、長期可靠性等優點；可在納秒級時間內將電壓鉗位于比擊穿電壓更低的水平。在網絡芯片與網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絡變壓器耦合到后端電壓的影響。

4 總結

在網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，降低在網運行設備的安全性和穩定性。結合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境。