提高PoE 供电系统雷击浪涌防护可靠性的研究

林 天 李 山 陶德彪 蔡建华

中通维易科技服务有限公司

0 引言

随着“宽带中国”战略的推进实施，我国正加快建设“光网城市”，打造“信息高速公路”，有效支撑“网络强国”“数字中国”建设和数字经济发展。为此，需要借助现有宽带网络，全面优化无线终端设备接入FTTx 模式，获取多样化、个性化、安全稳定的网络服务，进一步提升宽带用户的体验。

为满足不同场景无线覆盖的需要，可以采用基于PoE（Power Over Ethernet）供电系统的智能AC（Access Controller）+AP（Access Point）组网的方式，实现“信号满屋、无缝接入”，从而弥补信号覆盖不完全的缺陷。无线终端接入设备的小型化导致PCB 空间越来越拮据，其高度的集成化也暴露了抗干扰性越来越脆弱的缺陷，因此必须重视提升PoE 供电系统对雷击浪涌的防护能力。

1 雷电危害分析

1.1 雷电的放电特性

雷电的破坏作用主要是由雷电流引起的。雷电流在几微秒内由零突变到最大幅值，而电流幅值也在数十微秒内急剧衰减下降，可见雷电流是一种幅值极大、作用时间极短的瞬变过程。在此过程中瞬间释放出巨大的能量，对人、电子设备和建筑等都会造成极大危害。

1.2 雷电流泄放路径

当雷击发生在终端设备附近时，强大的雷电产生感应电流，通过传输信号线、设备间连接线和地埋电力线入侵，到达受电设备电源线并反击到终端设备以太网接口、AP 以太网接口。由于计算机、PoE供电设备等都是浮地设备，当雷击瞬间过电压（过电流）超过设备端口设计的耐受水平时，极易过压击穿。感应电流从受电设备保护地线进行L－PE、N－PE 泄放大地；而局域网线则对逻辑地线等进行泄放。

1.3 标准要求及试验波形

雷击浪涌（冲击）抗扰度是衡量电气和电子设备对由于开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌（冲击）抗干扰的能力。建立统一的基准，用模拟雷击干扰设备的方式来评价浪涌（冲击）时的性能。作为基础标准，GB/T 17626.5-2019《电磁兼容、试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验》规定了试验方法、测量技术和适用范围等，具有系统性和指导性。作为产品标准，YD/T 993-2016《有线电信终端设备防雷技术要求及试验方法》不仅专门针对有线电信终端设备浪涌抗扰度规定了具体技术要求和推荐了详细的试验程序，而且为有线电信终端雷电防护设计和雷击过电压（过电流）抗力试验提供了重要技术依据，具有针对性和可实施性。

对电源适配器外部端口进行浪涌（冲击）试验。首先，在被测设备（EUT）阻抗未知时，由于在EUT 内部存在冲击保护元件，所以其动作后发生短路或起钳位作用，或者绝缘闪络、元器件击穿等都会引起EUT 阻抗在冲击作用下发生变化。其次，当EUT 处在由雷击引起的电磁脉冲环境中时，冲击电压和冲击电流之间会通过EUT 阻抗变化而相互转化。由此可见，很难仅用单一冲击电压或冲击电流来全面评价其性能。故采用1.2/50μs和8/20μs组合波，如图1和图2所示。即1.2/50μs为开路电压波形，8/20μs 为短路电流波形。对于低阻抗EUT，组合波发生器模拟输出8/20μs 波形，可作为冲击电流发生器使用；对于高阻抗EUT，输出1.2/50μs 波形，可作为冲击电压发生器。对通信端口RJ45以太网接口进行浪涌（冲击）试验，根据YD/T 993-2016标准，采用10/700μs 组合波发生器对其进行电压等级浪涌试验（浮地产品不做线-地浪涌试验），如图3 和图4 所示。

图1 组合波发生器电路原理图（1.2/50μs-8/20μs）

图2 1.2/50μs 开路电压波形

图3 组合波发生器电路原理图（10/700μs-5/320μs）

图4 开路电压波形（10/700μs）

2 浪涌防护原理及常用器件

雷击浪涌（冲击）抗扰度作为EMC 重要的测试指标之一，通常运用EMC 三要素（电磁干扰源—耦合路径—敏感源）使其无法形成有效干扰。对于雷击浪涌，通过浪涌发生器输出规定的波形，模拟确定的干扰源，经线缆（电路）或空间等耦合路径，传导至接口芯片（器件）或叠加部分控制信号等敏感源。在所有EMC 测试项目中，浪涌（冲击）具有速率较低的特点，常用的测试波形有1.2/50μs、8/20μs 和10/700μs，都是μs 级的波形，其高频分量干扰也相对较小。通过利用电路中“疏”和“堵”两种方式的浪涌保护设计思路来解决泄放路径问题。“疏”的方式就是利用气体放电管（GDT）、半导体放电管（TSS）、瞬态抑制二极管（TVS）等保护器件提供较低的阻抗回路，引导浪涌能量疏通泄放到大地，而在电路中并联电容也能起到“疏”的作用；对于“堵”的方式，一般是采用电气隔离的方法，如隔离变压器、电感、电阻和串联电容等器件，浪涌能量得到有效隔离，阻止传导至后级电路。

3 试验问题分析及措施

3.1 试验测量

YD/T 993-2016 标准规定了雷击浪涌（冲击）抗扰度试验等级为电源适配器交流端口L-N 和L、N-PE 均为6kV，波形为1.2/50μs、8/20μs 组合波，正负各5 次；通信端口RJ45 以太网接口纵向、横向均为1.5kV，波形为10/700μs，正负各5次。结合GB/T 17626.5-2008 标准，对雷击浪涌（冲击）干扰进行相关试验。试验布置如图5 所示。

图5 浪涌施加到电源的原理图和实物接线图

3.2 试验仪器

多功能雷击浪涌发生器，SG-5010G，苏州泰思特电子科技有限公司；全自动冲击电流模拟器，S10C20，苏州泰思特电子科技有限公司；数字存储示波器，DSOX4104A，KEYSIGHT 公司；数字万用表，FLUKE233，FLUKE 公司。

3.3 结果分析

通过2017 年广东电信智能组网设备AC+面板AP 产品招标评价检测发现，雷击浪涌项目通过率不足20%。表1、表2 和表3 为具体测试结果，A-G 表示厂家。厂家A、B、D、E、F、G 提供的待测设备为AC+PoE 交换机一体化终端设备；厂家C 提供的待测设备为AC+PoE 交换机分体式终端设备。其中，B 和G 电源适配器交流端口未能通过差模干扰试验。G 网络侧WAN 接口未能通过横向试验。A、D 和E 用户侧LAN 接口（PoE）未能通过横向试验。H 的AP 面板网络侧WAN 接口未能通过横向试验。测试样品在雷击浪涌（冲击）测试过程中发生不同程度的雷击损坏，如电源适配器内压敏电阻（MOV）击穿、通信端口RJ45 以太网接口炸裂、后级控制电路损坏等。

经查看B 和G 电源适配器内部电路并测量，发现电路上B 设置延时保险熔断；G 设置延时保险未损坏，但与其并联压敏电阻失效。对于通信端口RJ45 以太网接口，一类是未采取特殊雷击防护措施，完全依赖隔离变压器的绝缘强度，出现击穿或电痕现象；另一类是发生在第二级防护电路中，TVS 因过电流而烧毁损坏。

表1 AC 设备测试结果

表2 AP 面板测试结果

表3 PoE 交换机测试结果

3.4 措施及建议

对于交流电源端口，合理设置熔断型保险丝，确保浪涌瞬间大电流不动作。其后直接使用MOV 也会存在老化和起火的风险。因此，在交流电源端口，采用GDT 与MOV 串联，以便延长MOV 的使用寿命。当雷击浪涌要求较高时，相应MOV 残压较高，当后级整流桥或场效应管（MOSFET）耐压较低时，有可能导致整流桥或MOSFET 失效，可采用差模两极防护方式，如图6 所示，即在整流桥后再增加一个MOV或共模电感上并联放电管，进一步抑制过电压的冲击，使其提高抗干扰能力。

图6 增强型抑制过电压电路

对于RJ45 以太网接口，PSE 端：PSE 芯片对以太网供电的管理主要是通过一个MOS 管（外置或内置）来实现的。通常MOS 管的体二极管对产品的雷击性能会有很大的影响，特别是PSE 芯片在PSE-N 线对机壳地打负向浪涌时特别容易损坏。那么，在PSE-N 线上加一个反向二极管，不会影响到PSE 芯片的正常工作，却能阻断浪涌通过体二极管的这条路径，避免MOS 或者PSE 芯片损坏。PD 端：采用多级保护电路进行防雷，主要在以太网接口处采用半导体放电管（TSS）进行差模和共模保护；相比其他TSS 具有响应速度更快、电气特性稳定、通流量较低、长期可靠性等优点；可在纳秒级时间内将电压钳位于比击穿电压更低的水平。在网络芯片与网络变压器之间的信号线上加载ESD 器件，确保消除或降低通过网络变压器耦合到后端电压的影响。

4 总结

在网使用未做防护或防护不合理的终端设备，都将面临遭受雷击损坏的风险，降低在网运行设备的安全性和稳定性。结合GB/T 17626.5-2008 和YD/T 993-2016 标准，运用EMC三要素（干扰源—耦合路径—敏感源）多途径阻断控制，使其无法形成有效干扰。确保在网运行的终端设备对雷击浪涌（冲击）防护留有足够的裕量，根据实际需求可增加试验电压，以便适用于高雷暴日下的雷击浪涌环境。