POE交换机浪涌防护设计及测试方法研究

张绪坤 朱余浩 秦祥宏

摘  要：在POE交换机产品网口的浪涌测试中，不同的标准会使测试项目、拓扑图、阻抗有很大的差异，同一个产品测试的结果也会出现差异性。文章依据国内、欧盟的认证测试标准以及行业的测试标准对POE端口浪涌测试方法进行了详细的梳理，从实际的项目出发，通过试验总结出POE接口的保护器件选型注意事项、防护设计方案，并且对方案的防护原理进行了深入的分析。

关键词：POE;交换机;浪涌防护;浪涌测试

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

关于POE交换机产品网口的浪涌测试，笔者暂未在行业内发现其完整的测试标准和方法介绍，POE网口浪涌测试应该依据的标准、合理的测试方式以及完全符合最新标准要求的设计形式都不明确。本文基于共进电子24口POE交换机、博通的POE芯片（BCM59121）系列产品进行研究，就POE交换机产品的认证测试标准、测试方法、设计方案做了较为详细的介绍。

1  POE交换机产品认证测试标准介绍

POE交换机产品按照产品类别划分为2个类别：信息技术设备类、电信终端设备类，所以在认证测试时候需要符合信息技术设备和电信终端设备类标准，国内3C认证需要按照GB/T 9254、GB 17625.1、GB 17625.2、GB/T 17618、YD/T 993相关标准进行测试。欧盟CE认证需要按照EN 55032、EN 61000-3-2、EN 61000-3-3、EN 55035、EN 300386等相關标准执行。实际上认证的标准GB/T 17618、EN 300386在设计上是比较容易达到的，而电信终端产品行业上有一份抗干扰的标准：ITU-T K.21，相对于认证的抗扰度标准，该标准严格很多。而且大部分国外客户都要求产品符合国际电信联盟（ITU）抗干扰的ITU-T K.21标准，其更新的速度非常快，几乎每年度会有新的版本，甚至1年内更新2个版本，每次升级版本都是在加强对各个功能接口的抗干扰能力的要求。由于标准的更新，需要更新设计方案来满足新的标准需求。

2  关于POE交换机产品ITU-T K.21标准的需求

ITU-T K.21标准版本非常多，近几年一直在更新，每个版本的升级都在不断完善和提高测试的需求。POE交换机严格来说需要符合POE端口和网络端口的所有要求。下面将2019版ITU-T K.21标准对POE接口的测试模式、波形、内阻、等级、判据等要求整理如表1所示。另外POE为带电源供电的网络传输端口，我们可以将其划分为网口，所以其也需要满足网口的测试要求。

针对表1测试项目，做如下4点说明：

（1）POE的接口通常都会定义成外部的通信接口，外部网络端口在ITU-T K.21—2018标准中增加了端口对地的电力线接触（AC230 V 50 Hz）的要求。

（2）POE电源差模基本等级2.5 kV、中间等级要求4.0 kV、加强等级要求6.0 kV的要求。

（3）将POE接口划分为网口情况下，网口需满足额定脉冲电压测试加强等级，共模5 Ω、阻抗6.0 kV的共模测试需求，额定脉冲电压测试完成后还需要满足DC500 V 2 MΩ的绝缘电阻的需求，为保护器件选型需要提高保护器件的启动电压。

（4）网口共模还需要满足8根信号线同时输入、10 Ω*8阻抗、6.0 kV的干扰需求。

3  POE接口标准测试方法

3.1  ITU-T K.21标准要求

关于安装在客户现场的电信通信设备过电压和过电流的抗干扰能力要求，国际电信联盟（ITU）制定的ITU-T K.21—2019标准中针对POE口和网口的测试波形、内阻、等级的要求如表1所示，严格来说POE交换机需要符合POE和网口的要求。POE电源测试差模为第（1）项，网口需要测试（2）～（5）项。

（1）ITU-T K.21标准中POE差模测试采用1.2/50-8/ 20 μs组合波，POE差模测试拓扑图如图1所示，浪涌发生器（combination wave generator）的高压输出端通过电阻R1接至POE电源的1个极性（正极或者负极），浪涌发生器Return端接至POE电源的另外一个极性，正负极性中间并联R2电阻，图中R1、R2各为10 Ω。

（2）网口电压冲击试验，该测试需满足绝缘阻抗的需求，测试完成绝缘不能被击穿，其标准是需要满足采用500 V DC的兆欧表、测试绝缘大于2 MΩ的阻抗要求。网口冲击电压测试拓扑图如图2所示，浪涌发生器的高压输出端接电阻R后将高压同时施加到8根网线进行测试。浪涌发生器的Return端接至参考接地板（EUT reference bar），同时交换机的接地线接至参考接地板，图中R限流电阻为5 Ω。

（3）网口绝缘阻抗测试的拓扑结构图如图3所示，图中UDC为500 V，仪器输出端的正极串接电流表头再连接网口的8根信号，仪器的负极接在参考接地板上，参考接地板连接到交换机的接地端子，测试绝缘电阻需要大于2 MΩ。

（4）网口共模浪涌测试（端口对地），测试限流电阻为8颗10 Ω的电阻每根信号线串联1颗，网口共模测试拓扑图如图4所示，浪涌发生器的高压端通过8颗电阻R并联接至网络端口，浪涌发生器的Return端接参考接地板，参考接地板和POE交换机的接地端子相连接。此项目测试非常严格，因为8颗电阻并联后10 Ω/8=1.25 Ω，所以选择保护器件时候需要特别注意器件的通流量。

（5）网口的电力线接触测试中，外部网口需要满足AC电力线接触的要求，网口电力线搭接测试拓扑图如图5所示，测试仪器高压端连接到8根网线短接，仪器Return端接POE交换机的接地端子，测试时间为15分钟，仪器内部测试的阻抗R=10、20、40、80、160、300、600、1 000 Ω、其中160、300、600、1 000 Ω为判据A，其他阻抗为判据B。

3.2  IEC 61000-4-5标准测试需求

IEC标准对于网口测试的测试波形、内阻、等级要求如表2所示，当网口定义为内部接口时采用1.2/50-8/20 μs组合波进行测试，非屏蔽对称接口线对地测试拓扑图如图6所示，发生器高压输出端串接8颗320 Ω电阻并联连接至网口8根信号线，浪涌发生器Return端接地，连接到POE的接地端子。当网口定义为外部通信接口时采用10/700-5/320 μs组合波进行测试，外部非屏蔽对称接口线对地测试拓扑图如图7所示，发生器高压输出端串接8颗25 Ω电阻并联连接至网口8根信号线，浪涌发生器Return端接地，连接到POE的接地端子。

4  现阶段设计方案需要解决的2个问题

（1）POE端口的雷击防护问题，达到现有行业标准（ITU-T K.21—2019）及客户要求，要求达到POE电源差模 6.0 kV、共模6.0 kV，绝缘性能达到DC 500 V兆欧表2 MΩ以上、同时满足共模电力线搭接的要求。

（2）POE端口同时从信号传输的角度，可以归到网口的一类，所以还需要按照ITU-T K.21的标准满还需要满足5 Ω阻抗、8*10 Ω阻抗的6.0 kV共模测试需求，测试波形为1.2/50-8/20 μs波形。

5  POE交换机的EMC设计方案

设计方案主要包括POE电源的共模、差模防护和网口的共模、差模防护，方案按照下面6点进行。

（1）POE电源的共模防护方案通过在POE电压正端增加1颗压敏电阻RV1防护，防护的规格要求：电压满足500 V的绝缘DC耐压需求，保护器件启动电压VBR（击穿电压）大于等于500 V*1.2=600 V。通流量需要满足最高等级需求，通过计算，所有对地的保护器件需满足8/20μs，电流波形需为6 kV/（2+10 Ω/8）=1.846 kA，如果有n个防护器件则为1.846/n kA。按照该原则选取器件，如POE交换机网口浪涌设计原理图8的RV1的共模防护压敏电阻。

（2）共模防护方案，POE电源的负向保护可以采用两种方案：1）每个端口增加1颗防护器件;2）全部端口采用1颗防护器件，此方案每个端口需要增加3颗二极管配合使用。通常采用方案由于其成本相对更低，故大多采用此方案，其中保护器件RV2的选型可参考RV1进行。

（3）POE电源的差模防护方案采用TVS进行防护，在满足正负压差的基础上需选型规范。VBR大于等于48.0 V* 1.2=57.6 V，通常需要选58.0 V左右的TVS，如果在残压不能满足需求的情况下可以适当降低电压至48.0 V*1.1=52.8 V，具体根据交换机的实际输出电压范围来选型。通流量的需求，通过计算满足6.0 kV的浪涌通流量，Ipp大于等于6 kV/（10+ 2）Ω=500 A，如图8中TVS1按照这个原则进行选型。

（4）共模保护方案的网口部分，可采用多个网口进行防护，将多个网口的中心抽头连接在一起，并接向Bob Smith电路，共模防护器件和Bob Smith电路并联。保护器件BG1的选项参考前面的压敏电阻RV1、RV2进行，但是为了预防网络变压器和PCB板差分走线的不平衡，需在网络变压器的次级差分对之间增加小封装的TVS进行差模防护;TVS2～TVS5需要考虑残压问题，可以选择启动电压3.3 V、通流量相对较大一些的器件，通常可以选择通流量在20 A左右的器件。

（5）网口差模部分，IEC 61000-4-5标准没有对差模的要求。ITU-T K.21的差模测试方法是通过1根信号对另外7根信号进行测试，会出现电源短路的问题。故针对POE的接口，可以不考虑网口信号差模测试需求。

（6）防护电路参考POE交換机网口浪涌设计原理，如图8所示。RV1、RV2为POE电源共模防护方案，BG1为网口的共模防护方案，TVS1为POE电源差模防护方案，TVS2～TVS5为网口信号差模保护方案，二极管D1～D3为防护方案浪涌电流流向控制元件。

6  POE防护方案的浪涌防护原理分析

浪涌防护设计实质上就是需要控制浪涌大电流的流向和受保护的电路最终所承受的残压，保证被保护电路所承受的打击最小。首先浪涌电流不能流过被保护的芯片，否则芯片就可能被浪涌打坏，其次就是我们所选器件在能满足浪涌电流的前提下，启动电压做到最低，因为只有启动电压低了，浪涌干扰的残压才会低。下面分析一下本方案各种测试模式的浪涌干扰电流是如何流向的。

由POE共模正向浪涌电流流向分析可知，POE接口正负极正向浪涌电流会通过二极管D1流向RV1，浪涌电压击穿RV1后流向机壳，最终通过接地线流向大地。POE接口正极性正向浪涌电流流向RV1，浪涌电压击穿RV1后流向机壳，最终通过接地线流向大地。POE共模正向浪涌电流流向如图9黑色箭头所示，浪涌电流避开了POE芯片，从而保护了芯片不受到损坏。

由POE共模负向浪涌电流流向分析可知，POE接口正负极负向浪涌电流流向RV1，浪涌电压击穿RV1后流向机壳，最终通过接地线流向大地。POE接口负极性负向浪涌电流流向通过二极管D3流向RV2，浪涌电压击穿RV2后流向机壳，最终通过接地线流向大地。POE共模负向浪涌电流流向如图9浅灰色箭头所示，浪涌电流避开了POE芯片，从而保护芯片不受到损坏。

由网口浪涌共模电流分析可知，共模浪涌网口差分信号理论上不存在差模成分，但是当网络差分信号对走线出现不平衡的时候，共模就会转换成差模，从而损坏芯片，所以需要增加TVS2～TVS5来进行次级差模防护。目前仅预留差模防护方案，根据实际的测试效果决定是否增加该方案。网口共模电压通过网络变压器的中心抽头电路击穿气体放电管BG1，浪涌电流从BG1流向机壳，最终通过接地线流向大地。网络信号共模浪涌电流流向及网口次级差模防护的差模电流流向如图9中深灰色箭头所示，该流向保护了后级POE交换机的PHY芯片。

由POE差模正向浪涌电流流向分析可知，POE电源差模正向浪涌从电源的正极流向TVS1，浪涌电压击穿TVS1后，流向二极管D3后再流向POE电源的负极形成回路，从而保护了芯片不受到损坏，如图10深色箭头所示。

由POE差模负向浪涌电流流向分析可知，POE差模负向浪涌电流从POE电源负极流向二极管D1，再流向电源的正极，形成回路从而保护了芯片不受到损坏，如图10中浅色箭头所示。

7  结  论

本文从POE交换机产品的标准需求入手，POE交换机产品浪涌测试需要根据ITU-T K.21和IEC 61000-4-5两个标准进行，分析POE端口按照这两个标准的测试方法及测试拓扑。针对执行新版标准需要解决什么问题、怎样测试才能满足标准的需求，文中给出了可靠的设计方案，最后分析了POE交换机产品保护的方案原理。选好保护元器件、控制被保护芯片及电路的残压和浪涌干扰电流的流向，才能达到较好的防护效果。

参考文献：

[1] ITU-T. Recommendation K.21：Resistibility of telecommunication equipment installed in customer premises to overvoltages and overcurrents [S/OL].（2019-09-11）. https：//www.itu.int/rec/T-REC-K.21-201907-I/en.

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[3] International Electrotechnical Commission. Electromagnetic compatibility （EMC）-Part 4-5：Testing and measurement techniques - Surge immunity test：IEC 61000-4-5：2014 [S/OL].（2017-08-04）.https：//webstore.iec.ch/publication/61166.

作者簡介：张绪坤（1978.10—），男，汉族，江西武宁人，中级工程师，本科，学士学位，研究方向：电子产品EMC及RF设计。