（本文編譯自Electronic Design）

若你正在設(shè)計采用以太網(wǎng)供電（PoE）或數(shù)據(jù)線供電（PoDL）的相關(guān)設(shè)備，這些系統(tǒng)的技術(shù)根源可追溯至傳統(tǒng)電話服務(wù)（POTS）。盡管從POTS發(fā)展到PoE/PoDL系統(tǒng)期間已涌現(xiàn)出諸多創(chuàng)新，但POTS作為19世紀(jì)末至20世紀(jì)末“家用電話”所依賴的有線通信服務(wù)，其技術(shù)邏輯仍對現(xiàn)代供電通信系統(tǒng)具有參考意義。由于許多工程師已長期未關(guān)注POTS技術(shù)，回顧其發(fā)展歷程有助于理解為何電路防護(hù)在PoE和PoDL設(shè)計中始終占據(jù)核心地位。

某種意義上，POTS可視為最早不依賴傳統(tǒng)交流市電為設(shè)備供電的系統(tǒng)之一。簡要回顧其技術(shù)原理：電話線采用一對被稱為“尖線（tip）”和“環(huán)線（ring）”的導(dǎo)體，兩導(dǎo)體間通常維持-48V直流電壓。

這一電壓設(shè)置的主要目的是防止中心局（CO）與用戶端之間的銅線腐蝕，同時為電話功能提供電力支持。在此-48V直流電壓基礎(chǔ)上，還疊加了供用戶間通話使用的“高頻”交流語音信號，通俗來講，就是兩位朋友之間的電話通話信號。

與POTS通過單對導(dǎo)線同時傳輸電力和通信信號的原理相似，PoE和PoDL將這一概念延伸至數(shù)字時代。PoE技術(shù)允許網(wǎng)絡(luò)線纜同時為IP攝像頭、無線接入點(diǎn)、VoIP電話等設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)和電力，無需額外配備獨(dú)立電源。

而PoDL雖采用類似設(shè)計思路，但它是專為使用單對以太網(wǎng)（SPE）的汽車和工業(yè)應(yīng)用場景量身打造的。它通過單對雙絞線同時傳輸電力和高速數(shù)據(jù)，非常適合結(jié)構(gòu)緊湊、對功耗敏感的環(huán)境。

然而，這種“同一物理介質(zhì)同時傳輸電力和數(shù)據(jù)”的便利性也帶來了一項(xiàng)關(guān)鍵工程挑戰(zhàn)：防護(hù)設(shè)計。正如早期電話系統(tǒng)必須應(yīng)對雷擊、線路故障和信號完整性等問題一樣，現(xiàn)代PoE和PoDL系統(tǒng)也必須配備相應(yīng)組件，以保護(hù)精密電子設(shè)備免受潛在電氣危害。

這些電氣危害包括浪涌、靜電放電（ESD）以及過流等情況。任何一種危害都可能損壞連接設(shè)備或中斷數(shù)據(jù)通信。在工業(yè)自動化、汽車網(wǎng)絡(luò)、安全基礎(chǔ)設(shè)施等對可靠性要求極高的場景中，穩(wěn)健的防護(hù)機(jī)制更是不可或缺。

為PoE和PoDL設(shè)計有效的防護(hù)方案需要精準(zhǔn)平衡多重需求。防護(hù)組件必須能夠抵御電氣故障，同時不能引入會干擾高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑肼暬蜃杩?。從供電設(shè)備（PSE）到受電設(shè)備（PD），實(shí)施恰當(dāng)?shù)陌踩胧τ诒Ｕ舷到y(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

那PoE和PoDL系統(tǒng)中將采用怎樣的防護(hù)策略與組件，以及為何需要做好防護(hù)設(shè)計呢？

PoE與PoDL的基本供電特性

在深入探討PoDL和PoE系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計要點(diǎn)之前，先概述兩種供電方式的核心原理。這兩項(xiàng)技術(shù)均基于“同一物理介質(zhì)同時傳輸電力和數(shù)據(jù)”的設(shè)計理念，但在電壓等級、功率容量和布線基礎(chǔ)設(shè)施等關(guān)鍵方面存在差異，而這些差異直接影響其防護(hù)方案的設(shè)計邏輯。

PoE技術(shù)廣泛應(yīng)用于企業(yè)和消費(fèi)級場景，為無線接入點(diǎn)、VoIP電話和安防攝像頭等設(shè)備供電。其工作電壓通常在44至57伏之間，而IEEE 802.3bt（PoE++）等新一代標(biāo)準(zhǔn)的源頭供電功率可達(dá)90瓦。

更高的功率容量使PoE能夠支持高分辨率攝像頭和智能樓宇基礎(chǔ)設(shè)施等功耗需求更高的設(shè)備，內(nèi)置的分級和協(xié)商協(xié)議可確保根據(jù)受電設(shè)備的需求安全、合理地傳輸電力。

相比之下，PoDL專為汽車和工業(yè)等特殊場景設(shè)計，這些場景對空間、重量和能效要求極高。PoDL系統(tǒng)的供電電壓更低，通常在12至58伏之間，且經(jīng)過優(yōu)化以適配傳感器、執(zhí)行器和控制模塊等低功耗設(shè)備。

IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其最大輸出功率為52瓦，該技術(shù)的核心并非追求大功率傳輸，而是在緊湊且有時環(huán)境惡劣的場景中，提供足以保障設(shè)備可靠運(yùn)行的精準(zhǔn)供電。不過，隨著汽車領(lǐng)域向區(qū)域控制架構(gòu)發(fā)展，這一現(xiàn)狀可能會發(fā)生改變，未來PoDL或許需要支持超過52瓦的更高功率輸出。

圖1展示了一個采用單對以太網(wǎng)（SPE）和數(shù)據(jù)線供電（PoDL）實(shí)現(xiàn)的區(qū)域控制架構(gòu)示例。

這些差異也體現(xiàn)在兩種系統(tǒng)所使用的布線基礎(chǔ)設(shè)施中。PoE依賴標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線纜，最常用的是包含四對雙絞線的超五類（Cat5e）或六類（Cat6）線纜。

根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)和配置不同，電力可通過其中兩對或全部四對雙絞線傳輸，連接則通過常見的RJ45連接器實(shí)現(xiàn)。這一特性使得PoE易于集成到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，非常適合對安裝速度和靈活性有較高要求的部署場景。

而PoDL采用單對以太網(wǎng)（SPE）線纜，大幅減小了線纜的尺寸和重量。這在汽車和工業(yè)場景中尤為有利，這些場景的布線空間有限，且需要盡可能降低線束復(fù)雜度。PoDL應(yīng)用中使用的連接器專為耐用性和可靠性設(shè)計，通常能夠承受振動、潮濕和極端溫度等環(huán)境因素，而這些因素在企業(yè)級PoE環(huán)境中并不常見。

圖2：左側(cè)為SPE連接器，右側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)所使用的RJ45連接器。

在評估防護(hù)需求時，理解這些在功率等級、布線方式和工作環(huán)境方面的基礎(chǔ)性差異至關(guān)重要。PoE和PoDL系統(tǒng)面臨的電氣風(fēng)險、故障場景及環(huán)境應(yīng)力差異顯著，因此防護(hù)策略必須量身定制，以確保系統(tǒng)的安全性、可靠性并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

PoE與PoDL：供電特性各異，防護(hù)方案相通

盡管PoE與PoDL在電壓等級、功率容量和布線基礎(chǔ)設(shè)施方面存在差異，但兩者仍遵循一套共同的核心防護(hù)原則。通過同一介質(zhì)傳輸電力和數(shù)據(jù)會帶來固有的電氣風(fēng)險，因此這兩項(xiàng)技術(shù)均采用了精心設(shè)計的機(jī)制和器件，以保障其在各類環(huán)境中安全可靠運(yùn)行。

兩者的核心共性之一是初始檢測與分級流程。在施加電力之前，PoE和PoDL系統(tǒng)都會先執(zhí)行設(shè)備檢測，驗(yàn)證所連接的設(shè)備是否兼容且具備受電能力。這一“握手”過程可避免向非合規(guī)設(shè)備或敏感設(shè)備輸送電力。

檢測完成后，系統(tǒng)會進(jìn)入分級階段，識別受電設(shè)備的功率需求，從而僅提供必要的電流，既保證能源效率，又保障設(shè)備安全。

過流和過壓物理防護(hù)器件是兩者共有的關(guān)鍵防護(hù)手段。過流防護(hù)的作用是限制線纜傳輸?shù)碾娏鞔笮?，防止過熱、潛在火災(zāi)風(fēng)險或連接設(shè)備損壞，這通常通過傳統(tǒng)保險絲或聚合物PTC自恢復(fù)保險絲實(shí)現(xiàn)。

過壓防護(hù)對維持系統(tǒng)可靠性同樣至關(guān)重要。由于線纜長度較長且可能存在人員接觸，雷擊、靜電放電（ESD）等多種因素都可能引發(fā)電壓瞬變。

常用于過壓防護(hù)的器件包括瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管、氣體放電管（GDT）和壓敏電阻。這些器件通過鉗位或短路方式將多余能量從子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，其寄生電容和工作電壓值各有不同。

無論是過流防護(hù)組件還是過壓防護(hù)組件，PoDL和PoE均會同時采用，為供電鏈路的兩端提供全面可靠的防護(hù)。

圖3：PoE可用于為照明系統(tǒng)供電，此類照明系統(tǒng)在PoE架構(gòu)中充當(dāng)受電設(shè)備（PD）。

最后，電氣隔離在保障系統(tǒng)完整性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這兩項(xiàng)技術(shù)通常會集成變壓器或電容器，實(shí)現(xiàn)電源與受電設(shè)備的電氣隔離。這不僅有助于防止地環(huán)路和不必要的電流路徑形成，還能保護(hù)精密設(shè)備免受連接鏈路兩端可能出現(xiàn)的電壓尖峰或浪涌影響。

通過實(shí)施這些共通的防護(hù)策略——檢測、分級、過流防護(hù)、過壓防護(hù)及電氣隔離——工程師能夠?qū)崿F(xiàn)PoE和PoDL系統(tǒng)在安全性、可靠性和合規(guī)性方面的設(shè)計目標(biāo)，無論它們的應(yīng)用領(lǐng)域差異多么大。

PoE與PoDL是否存在獨(dú)特的防護(hù)需求？

盡管PoE與PoDL共享諸多基礎(chǔ)防護(hù)機(jī)制，如檢測、過流與過壓防護(hù)及電氣隔離，但由于二者的目標(biāo)應(yīng)用場景不同，它們也存在獨(dú)特的防護(hù)需求。這些差異主要源于各自的工作環(huán)境，以及在性能、耐用性和安全性方面的不同要求。

一個關(guān)鍵區(qū)別體現(xiàn)在兩種技術(shù)所處的物理與電氣環(huán)境中。PoE系統(tǒng)通常部署在辦公室、學(xué)?；驍?shù)據(jù)中心等受控室內(nèi)環(huán)境，這些場景的溫度、濕度和電氣噪聲相對穩(wěn)定。因此，PoE的防護(hù)機(jī)制可更側(cè)重于符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和基本電氣安全要求。

相比之下，PoDL專為汽車、工業(yè)及戶外等惡劣且往往不可預(yù)測的環(huán)境設(shè)計。這些場景會使設(shè)備面臨極端溫度、振動、潮濕和電磁干擾（EMI）的影響。因此，PoDL系統(tǒng)需要更強(qiáng)大的防護(hù)能力以抵御環(huán)境和電氣應(yīng)力，包括先進(jìn)的電磁干擾屏蔽和熱管理解決方案，從而確保性能的一致性和可靠性。

這種環(huán)境差異也延伸到了浪涌和瞬態(tài)防護(hù)方面。PoE通常需要符合IEC 61000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基礎(chǔ)浪涌防護(hù)，這對于室內(nèi)安裝已足夠。然而，PoDL系統(tǒng)必須滿足更為嚴(yán)格的汽車和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如ISO 7637-2和ISO 16750-2中的負(fù)載突降波形要求。這些標(biāo)準(zhǔn)要求防護(hù)電路具備更強(qiáng)的性能，能夠承受高能脈沖和反復(fù)出現(xiàn)的瞬態(tài)信號，且不會出現(xiàn)性能衰減。

圖4：展示了負(fù)載突降的示例電路和波形，這種現(xiàn)象通常發(fā)生在發(fā)電機(jī)正在為車輛電池充電時，電池突然斷開連接的場景中。

最后，連接器的安全性設(shè)計也反映了兩種系統(tǒng)的不同需求。PoE采用標(biāo)準(zhǔn)RJ45連接器，這類連接器本身具備隔離特性，非常適合清潔的室內(nèi)安裝環(huán)境。它們的應(yīng)用范圍廣泛，且內(nèi)置了防誤插和電氣故障防護(hù)機(jī)制。

而PoDL可能會使用更具專用性的連接器，這些連接器必須滿足嚴(yán)格的汽車或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它們通常需要額外的防護(hù)設(shè)計，以抵御濕氣侵入、振動、電弧和污染物影響，確保即使在最嚴(yán)苛的條件下也能實(shí)現(xiàn)長期可靠運(yùn)行。

簡而言之，盡管PoE和PoDL的防護(hù)策略基于相似的核心原則，但由于運(yùn)行環(huán)境和性能預(yù)期的差異，其具體實(shí)現(xiàn)方式存在顯著不同。理解這些差異對于設(shè)計不僅功能完備，且在整個生命周期內(nèi)都安全可靠的系統(tǒng)至關(guān)重要。

數(shù)字化集成PoE與PoDL系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜挑戰(zhàn)

回顧數(shù)字化集成、具備功率感知能力的PoE與PoDL系統(tǒng)的發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)，盡管通過通信線路為設(shè)備供電的理念并非新生事物，但現(xiàn)代系統(tǒng)的復(fù)雜性及其所面臨的需求已大幅提升。

從基礎(chǔ)的檢測、過流與過壓防護(hù)，到差異化的測試波形要求和環(huán)境屏蔽設(shè)計，PoE與PoDL各自具備獨(dú)特的運(yùn)行需求，需要量身定制的解決方案。但二者始終圍繞著一個共同的工程目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)安全、可靠且高效的連接。

隨著以太網(wǎng)技術(shù)向新領(lǐng)域不斷拓展，深入滲透到工業(yè)自動化、汽車平臺和智能基礎(chǔ)設(shè)施中，理解并實(shí)施穩(wěn)健的電路防護(hù)策略將變得愈發(fā)重要。無論你是設(shè)計安全的辦公網(wǎng)絡(luò)，還是打造高可靠性的車載系統(tǒng)，上述提到的核心原則都將為構(gòu)建長效穩(wěn)定的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

歸根結(jié)底，通過認(rèn)識這些技術(shù)不斷演變的防護(hù)需求，工程師和系統(tǒng)設(shè)計師將能更有效地打造下一代智能、具備功率感知能力的網(wǎng)絡(luò)。正如昔日的POTS技術(shù)一樣，這些新型網(wǎng)絡(luò)將在后臺默默為我們的世界提供動力，同時維系著萬物互聯(lián)。