芯耀
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一、千兆以太網(wǎng)供電 (PoE)原理
1.千兆以太網(wǎng)供電 (PoE) 接口 – 技術、信號
以太網(wǎng)供電 (PoE) 通常適用于最大供電電壓為 57 VDC 且用戶側功率高達 73 W 的系統(tǒng)。開啟時電壓 > 42 V。正常運行時電壓在 36 至 57 V 之間，典型值為48V
然而，PoE 有不同的功率等級，其名稱或縮寫也有所不同：
·IEEE 802.3af (PoE) 提供 15 W 輸出功率，或在終端設備上提供高達 12.95 W 的功率。
·IEEE 802.3at (PoE+) 提供 30 W 輸出功率，或在終端設備上提供高達 25.5 W 的功率。
·IEEE 802.3bt (4PPoE) 提供 90 W 輸出功率，終端設備最高可達 71.3 W。
·IEEE 802.3bu (PoDL) 適用于單對以太網(wǎng)
表 1: Overview of the most important characteristic data of the Ethernet standards and the associated classes
PoE 系統(tǒng)包含供電設備 (PSE) 和受電設備 (PD，負載)，建議最大電纜長度為 100 米。由于導體橫截面積小、電纜長度長且系統(tǒng)電壓低，電纜中存在顯著的功率損耗，這可能導致系統(tǒng)效率低下。例如，在 Class 4 等級下，PD 可承受 25.5 W 的功率，在 100 米長度下，線路環(huán)路電阻最高可達 12.5 Ω，允許的最大電流為 600 mA。
這導致電纜中功率損耗高達 4.5 W，效率僅為 82%！
PoE 已在 IEEE 802.3af-2003 標準（IEEE 802.3-2005 第 33 節(jié)）或 2009 年更新版 IEEE 802.3at 中進行了規(guī)范。根據(jù)系統(tǒng)的不同，會采用不同的供電技術。
·數(shù)據(jù)對：通過初級線圈和次級線圈的中間抽頭對供電；
·空閑對：通過空閑Pin腳的接線組直通或變壓器隔離供電；
在傳統(tǒng)的 10BASE-T 和 100BASE-TX 以太網(wǎng)中，四對線對中只有兩對用于數(shù)據(jù)傳輸。另外兩對空閑的線對可用于 PoE（供電）。數(shù)據(jù)通過一條路徑傳輸，電力通過另一條路徑傳輸，這對應于“空閑對供電”。PoE 剛推出時，它是最安全的方式（見表 2上），即通過一根線纜同時傳輸數(shù)據(jù)和電力。
表 2：10BASE-T、100BASE-TX 和 1000BASE-T（千兆以太網(wǎng)）以太網(wǎng)電纜中的線路配置
對于 1000BASE-T（千兆以太網(wǎng)），所有四對線均用于數(shù)據(jù)傳輸。此時，數(shù)據(jù)和電源通過相同的線對傳輸（見表 2下），因此這相當于“數(shù)據(jù)對”。這種方法在這里是可行的，因為對于通過雙絞線電纜的以太網(wǎng)，差分數(shù)據(jù)傳輸通過每對線進行，并通過變壓器去耦。信號傳輸本身與非 PoE 傳輸沒有區(qū)別；數(shù)據(jù)速率和信號幅度相同。
表 3：上電順序及相關電壓范圍
2.千兆以太網(wǎng)接口，帶 PoE 接口結構
符合 IEEE 802.3at 標準 (PoE+)，受電設備 (PD) 功率高達 25.5 W。圖 1 顯示了 PoE+ 系統(tǒng)的基本電路。
圖 1：符合 IEEE 802.3at 或 PoE+ 的系統(tǒng)基本電路
直流電源和負載連接可從 PSE 和 PD 側變壓器的中心抽頭獲取。每對線對通過中心抽頭以共模方式工作，作為直流電源（正極或負極）的一側，因此需要兩對線對才能完成電路。直流電源的極性并不重要，因為整流在受電設備 (PD) 側進行。受電設備必須使用以下兩對線對中的一對進行供電：備用線對 4-5 和 7-8，或數(shù)據(jù)線對 1-2 和 3-6。
3.上電過程、PoE檢測
PSE（供電設備）供電前，必須先對終端設備進行分類。這樣可以避免對不支持 PoE 的終端設備造成損壞，并通過對 PD（受電設備）進行分類，將 PSE 提供的功率限制在必要的范圍內(nèi)，從而最大程度地減少損壞。PSE 的電源使用分類電流和低電壓來確定終端設備是否支持 PoE 供電，以及它屬于哪個類別。因此，根據(jù)終端設備的不同，電源和終端設備之間需要進行信息交換（握手過程），終端設備據(jù)此傳達其 PD 類別。為了在第一步中區(qū)分支持 PoE 的終端設備和不支持 PoE 供電的終端設備，PoE 電源中使用了一種基于電阻發(fā)現(xiàn)是否支持POE供電的方法。支持 PoE 的終端設備配備一個包含無源元件的輸入電路，用于此目的。PSE 電流源會使用測量電路檢查該 PD 電路的內(nèi)阻。如果電阻在 19 kΩ 和 26.5 kΩ 之間，且線路電容 ≤ 150 nF，則電源激活。在第二個檢測階段，將確定性能等級（表 1）。在此階段，PD 會逐漸升高電壓，直到其發(fā)出信號指示其屬于 802.3af 標準中定義的四個性能等級中的哪一個。然后，系統(tǒng)會提供正確的電源。此檢測過程總共需要大約一秒鐘。為防止損壞終端設備，一旦 PD 從 LAN 中移除，PSE 就會自動關閉相關端口的電源。圖 2 以圖形方式顯示了上電過程，表 3 顯示了上電步驟、相關過程和電壓范圍。
圖 2：PSE 和 PD 之間操作的上電序列
表 4 顯示了等級的細分（根據(jù)表 3 進行分類），以及檢測或分配等級所需的 PSE 和 PD 之間的環(huán)路電流范圍。
灰色線（即中間值）被分類系統(tǒng)忽略。
表 4：等級劃分（根據(jù)表 3 分類）以及 PSE 和 PD 之間環(huán)路電流的相應必要范圍；忽略中間值；分類電流 = 通過 PD 的定義負載電阻
802.3bt (PoE++) 于 2018 年 9 月引入了兩種新的 PoE 類型（Type 3 和 Type 4）以及四個附加等級。該標準完全向后兼容之前的 PoE 標準，可以與較舊的 Type 1 和 Type 2 設備順利配合使用。輸出功率提升至 90 W - 100 W，電流為 600 mA - 960 mA。在這種情況下，電源需要全部四對線對，以限制線路損耗。為了降低 PSE 和 PD 之間的線路損耗并實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，對線纜提出了很高的要求；概述如表 5所示。
表 5：PoE 標準概述，包括每個端口的相關功率、使用的線對和電纜類別
二、RJ45的浪涌保護方案
RJ45模塊用于物理(PHY)芯片之間的互連，如圖1所示，RJ45有兩種組合形式，一種是分立式，網(wǎng)口變壓器和RJ45連接座是分開的，另一種是網(wǎng)口變壓器和RJ45集成在一起。
圖1：RJ45兩種主要形式
以分立式RJ45的百兆網(wǎng)電路做個說明，如圖2所示為典型百兆,以太網(wǎng)電路
Bob Smith電路
Bob Smith電路，用于提高網(wǎng)絡信號的傳輸質(zhì)量和減少干擾設計。其主要作用如下
1)共模抑制
Bob Smith電路為信號線上的共模噪聲，提供了一個低阻抗的回流路徑
2)阻抗匹配
為實現(xiàn)良好的阻抗匹配效果，減少回波干擾，次級線圈中間抽頭一般會經(jīng)由75Ω電阻后下拉接地。
3)浪涌防護
浪涌防護分為共模防護和差模防護，按照IEC61000-4-5雷擊浪涌要求，共模要求4KV，差模要求2KV。
共模防護
信號線上的浪涌泄放路徑:RJ45→變壓器→中心抽頭→75Ω電阻→電容→地;這條路徑中的變壓器、電阻、電容需要都能抗住4KV浪涌沖擊;
NC線上的浪涌泄放路徑:RJ45→75Q電阻→電容→地:要求電阻和電容能抗住4KV浪涌沖擊
PS:對于RJ45未使用的引腳，也必須接上Bob Smith電路，以達到信號阻抗匹配，抑制對外輻射干擾。
差模防護
如上圖所示的差模浪涌泄放路徑，要求網(wǎng)絡變壓器本身能抗住2KV浪涌，同時差模會經(jīng)過變壓器耦合到PHY一端，因此要求PHY端能抗住2KV沖擊，通常會在數(shù)據(jù)線上靠近PHY放置雙向TVS器件或其他防護措施。
RJ45保護電路
戶外以太網(wǎng)容易遭受雷擊，雷擊浪涌產(chǎn)生的電壓和過電流會損壞以太網(wǎng)相關器件。因此有些應用會對RJ45接口做額外的雷擊防護。如下圖所示，增加陶瓷氣體放電管、ESD和TVS器件，初級線圈和次級線圈不能共地，中間需要有隔離區(qū)，PCB禁止覆銅，信號地和sheild需要加磁珠。
三、RJ45連接器中性鹽霧測試與鍍金要求關系分析
1.RJ45連接器鹽霧測試核心要求
中性鹽霧測試（NSS）作為評估RJ45連接器環(huán)境適應性的核心手段，其測試時長與鍍金參數(shù)直接決定了連接器在含鹽潮濕環(huán)境中的可靠性表現(xiàn)。根據(jù)國際標準GB/T 10125及ASTM B117，RJ45連接器的鹽霧暴露時間需結合應用場景嚴苛程度分級設定，并關聯(lián)特定的鍍金層結構要求：
消費電子/普通商業(yè)應用：工作環(huán)境腐蝕風險較低，鍍金層厚度需≥0.5μm，鎳底層厚度≥3μm。此配置需通過24-48小時鹽霧測試，要求測試后接觸電阻變化≤20%，鍍層表面無基材腐蝕（允許輕微變色）。
工業(yè)控制/戶外設備：面臨溫濕度波動及化學污染，鍍金層需提升至≥1.0μm，鎳底層≥5μm。測試時長延長至48-96小時，要求192小時后功能電阻仍保持穩(wěn)定。
汽車電子/海洋設備：需耐受除冰鹽、高鹽霧等極端腐蝕，采用復合鍍層（如鎳+鈀+金）或金層≥1.5μm。測試要求通過96-240小時嚴酷驗證，部分場景需疊加CASS（銅加速醋酸鹽霧）測試。
判定失效的核心指標包括：電氣性能（接觸電阻增幅＞20%）、機械完整性（鍍層剝落或起泡）、基材腐蝕（銅合金可見綠銹）。例如工業(yè)級RJ45在96小時測試后若出現(xiàn)接觸電阻突變，表明鎳阻擋層失效導致底層銅腐蝕擴散。
2.鍍金參數(shù)與鹽霧耐久性的量化關系
2.1 金層厚度與孔隙率的抗腐蝕機制
鍍金層的防護效能并非線性增長，其抗?jié)B性取決于厚度與孔隙率的平衡。當金層＜0.3μm時，電鍍結晶不連續(xù)形成密集孔隙，鹽霧中的Cl?離子可穿透至底層鎳/銅界面引發(fā)電化學腐蝕。厚度提升至0.5μm以上時，孔隙率顯著降低；當達到1.0μm時，孔隙率可控制在≤5個/cm2，腐蝕風險大幅下降。但金層過厚（＞2.0μm）將增加成本且可能因內(nèi)應力導致脆性開裂。
鍍金工藝缺陷的典型影響：
雜質(zhì)污染：有機雜質(zhì)（如添加劑分解物）造成金層發(fā)花，金屬雜質(zhì)（Fe2?、Cu2?）使電流效率下降，導致鍍層疏松多孔。
電流密度失準：振幅設置錯誤或振動電鍍參數(shù)失調(diào)，導致局部結晶粗糙（目視發(fā)紅），加速鹽霧滲透。
鍍液老化：長期使用后鈷/鎳離子濃度波動，改變硬金（Au-Co/Au-Ni）合金比例，降低致密性。
2.2 鎳底層的關鍵作用
鎳層在鍍金結構中承擔雙重角色：機械支撐層與腐蝕阻擋層。當厚度≥3μm時，可有效阻隔銅基材與金層的離子擴散；提升至5μm以上時，即便金層存在微量孔隙，鎳的鈍化特性仍能延緩基底腐蝕。中性鹽霧測試表明，無鎳層的鍍金銅合金在24小時內(nèi)即出現(xiàn)紅銹，而含5μm鎳層的樣品在96小時后僅邊緣輕微變色。
表：RJ45連接器鍍金參數(shù)與鹽霧測試表現(xiàn)的對應關系
3.鹽霧測試條件對結果的關鍵影響
3.1 溫濕度與沉降量控制
鹽霧腐蝕本質(zhì)是電化學反應，溫度每升高10℃，反應速率提升2–3倍。標準NSS測試要求恒溫35±2℃，若偏差至40℃，96小時測試等效實際腐蝕量可達168小時。沉降量則需嚴格控制在1.0–2.0ml/80cm2·h，沉降不足會低估腐蝕性，而過高則導致液膜增厚加速氧擴散腐蝕。
3.2 鹽水濃度與pH值
NaCl濃度需維持5%（質(zhì)量比）以模擬真實海洋大氣。濃度＞5%時，氧溶解度下降反而降低鋼鐵腐蝕速率；但對銅合金，腐蝕速率持續(xù)遞增。pH值則是敏感性參數(shù)：當pH從7.0降至3.5（如因CO?溶入酸化），腐蝕速率激增7–8倍。故測試中需每日監(jiān)控pH，并用NaOH/HCl調(diào)節(jié)至中性。
3.3 樣品放置角度
RJ45連接器若水平放置（0°），上表面鹽霧沉降量為垂直放置時的1.8倍，導致過度腐蝕。依據(jù)GB/T 2423.17，推薦30°傾斜放置，使腐蝕分布更貼近實際工況。
