CN114915507B - 一种千兆poe供电通信电路 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种千兆POE供电通信电路及路侧单元，其中，所述电路包括RJ45接口和物理层芯片，用于防护信号线的第一电路和用于防护电源的第二电路，其中，第一电路包括：一级信号线防护器件，其设置于RJ45接口的差分对端与PE地之间；二级信号线防护器件，其包括网口滤波器及其周边电路，设置于RJ45接口的差分对端与物理层芯片的数据收发端之间；三级信号线防护器件，其设置于网口滤波器与物理层芯片的数据收发端之间，所述第二电路包括：经过网口滤波器分离出的三极气体放电管串联压敏电阻，压敏电阻并联瞬态二极管，输出至POE电路的Π型滤波器，能够保证大功率POE供电和千兆以太网通信在抗扰类雷击浪涌和耦合串扰下正常运行。
Description
技术领域
本公开涉及通讯技术领域，尤其涉及一种千兆POE供电通信电路及路侧单元。
背景技术
户外路侧单元RSU作为C-V2X（Cellular Vehicle-to-Everything，是基于蜂窝网络的车用无线通信技术）的重要组成部件，目前正处于研发快速发展的阶段，行业内相关标准也在逐步成型中，其供电方式逐渐都采用POE网口供电，而随着RSU的功能越来越丰富，主流RSU也都开始基于SOC（System on Chip，片上系统）平台开发，相应的POE（有源以太网，Power Over Ethernet）供电功率和以太网通信速率要求也在随之提高。
虽然目前行业内RSU产品大多还是百兆通信、802.3af （POE）15.4W供电，但新产品开发已经需要采用802.3at（POE+) 30W功率供电，或者采用更大功率的802.3bt POE协议供电。而通信速率也更新到千兆通信或者万兆通信。随着通信速率和供电功率的提高，电磁兼容EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）骚扰类试验会面临更高的挑战，典型问题是125MHZ及其倍频会更容易超标。同时RSU作为户外路侧产品，安装环境复杂多变，还需要在雷击浪涌、耦合串扰等抗扰类考验下保证POE供电、千兆高速率通信的正常运行。
现有技术中，RSU采用POE百兆通信的EMC设计相对比较容易实现，气体放电管、压敏电阻、PTC电阻（Positive Temperature Coefficient，指正温度系数很大的半导体材料或元器件）、瞬态二极管、共模电感等防护器件虽然体积较大或者需要插件过孔，但百兆供电通信仅需要对4根网线设计布局走线，且百兆通信速率对寄生等效阻容感容忍度较大，所以相对千兆电磁兼容比较容易实现。
大功率POE千兆供电传输是对8根网线进行设计处理，板级空间受限，布局密度较大，对防护器件的选型和布局走线要求较高，对器件和走线等效阻容感比较敏感，需要保证大功率POE供电和千兆通信正常运行的同时做好EMC设计。然而，采用用于百兆通信的防护器件设计高等级的EMC可能影响户外高速率千兆传输性能，难以兼顾实现，所以部分产品放弃了对接口处千兆以太网8根信号线作高等级防雷器件布局走线。
因此，亟待解决辐射类125MHZ及其倍频容易超标以及抗扰类雷击浪涌、耦合串扰下无法正常POE供电、千兆高速率通信的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开的实施例提供了一种千兆POE供电通信电路及路侧单元。
第一方面，本公开的实施例提供了一种千兆POE供电通信电路，包括RJ45接口和物理层芯片，所述电路还包括用于防护信号线的第一电路和用于防护电源的第二电路，其中，
所述第一电路包括：
一级信号线防护器件，其设置于RJ45接口的差分对端与PE地之间；
二级信号线防护器件，其包括网口滤波器及其周边电路，设置于RJ45接口的差分对端与物理层芯片的数据收发端之间；
三级信号线防护器件，其设置于网口滤波器与物理层芯片的数据收发端之间，
所述第二电路包括：
经过网口滤波器分离出的三极气体放电管串联压敏电阻作为一级电源防护器件，压敏电阻并联瞬态二极管作为二级电源防护器件，输出至POE电路的Π型滤波器作为三级电源防护器件，
在所述电路中，通过以下方式采用地平面作为电流回路：
在RJ45接口的金属外壳与PE地之间、RJ45接口的金属外壳与内部受保护地之间和内部受保护地与PE地之间分别设置并联放电防护器件，
RJ45接口的金属外壳的两个插件引脚连接内层铜皮，铺铜布局在RJ45接口和网口变压器之间的板级内层隔层，作为信号线差分等长100Ω阻抗匹配的阻抗参考地，其中，所述网口变压器设置在RJ45接口的差分对端与所述网口滤波器之间。
在一种可能的实施方式中，所述一级信号线防护器件为三极气体放电管，所述三级信号线防护器件为双向瞬态二极管。
在一种可能的实施方式中，所述并联放电防护器件为1M电阻与4KV 1nF电容的并联电路。
在一种可能的实施方式中，所述双向瞬态二极管的等效电容接近1pF且低于1pF，用于抑制电磁干扰。
在一种可能的实施方式中，所述网口滤波器的型号为四组三线制。
在一种可能的实施方式中，所述RJ45接口通过6类双屏蔽网线传输信号，其中，所述双屏蔽网线的芯线材质为无氧纯铜。
在一种可能的实施方式中，所述POE电路的供电方式为1236芯线供电或者4578芯线供电。
在一种可能的实施方式中，所述POE电路的输出电压为12V。
在一种可能的实施方式中，所述POE电路采用立式结构。
第二方面，本公开的实施例提供了一种路侧单元，包括上述的千兆POE供电通信电路。
本公开实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点的部分或全部：
本公开实施例所述的千兆POE供电通信电路，包括RJ45接口和物理层芯片，所述电路还包括用于防护信号线的第一电路和用于防护电源的第二电路，其中，所述第一电路包括：一级信号线防护器件，其设置于RJ45接口的差分对端与PE地之间；二级信号线防护器件，其包括网口滤波器及其周边电路，设置于RJ45接口的差分对端与物理层芯片的数据收发端之间；三级信号线防护器件，其设置于网口滤波器与物理层芯片的数据收发端之间，所述第二电路包括：经过网口滤波器分离出的三极气体放电管串联压敏电阻作为一级电源防护器件，压敏电阻并联瞬态二极管作为二级电源防护器件，输出至POE电路的Π型滤波器作为三级电源防护器件，在所述电路中，通过以下方式采用地平面作为电流回路：在RJ45接口的金属外壳与PE地之间、RJ45接口的金属外壳与内部受保护地之间和内部受保护地与PE地之间分别设置并联放电防护器件，RJ45接口的金属外壳的两个插件引脚连接内层铜皮，铺铜布局在RJ45接口和网口变压器之间的板级内层隔层，作为信号线差分等长100Ω阻抗匹配的阻抗参考地，能够对雷击浪涌以及耦合串扰等干扰进行防护，在提高EMC等级的同时，保证大功率POE供电和千兆以太网通信在抗扰类雷击浪涌和耦合串扰下正常运行。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了根据本公开实施例的千兆POE供电通信电路的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的RJ45接口金属外壳的两个引脚分别与PE地和内部受保护地之间的连接结构示意图；以及
图3示意性示出了根据本公开实施例的四组三线制网口滤波器的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
参见图1，本公开的实施例提供了一种千兆POE供电通信电路，包括RJ45接口和物理层芯片，所述电路还包括用于防护信号线的第一电路和用于防护电源的第二电路，其中，所述第一电路包括：一级信号线防护器件，其设置于RJ45接口的差分对端与PE地之间；二级信号线防护器件，其包括网口滤波器及其周边电路，设置于RJ45接口的差分对端与物理层芯片的数据收发端之间；三级信号线防护器件，其设置于网口滤波器与物理层芯片的数据收发端之间，所述第二电路包括：经过网口滤波器分离出的三极气体放电管串联压敏电阻作为一级电源防护器件，压敏电阻并联瞬态二极管作为二级电源防护器件，输出至POE电路的Π型滤波器作为三级电源防护器件，在所述电路中，通过以下方式采用地平面作为电流回路：在RJ45接口的金属外壳与PE地之间、RJ45接口的金属外壳与内部受保护地之间和内部受保护地与PE地之间分别设置并联放电防护器件，RJ45接口的金属外壳的两个插件引脚连接内层铜皮，铺铜布局在RJ45接口和网口变压器之间的板级内层隔层，作为信号线差分等长100Ω阻抗匹配的阻抗参考地。
其中，所述网口滤波器的周边电路可以是第二电路，所述一级信号线防护器件为三极气体放电管，所述三级信号线防护器件为双向瞬态二极管，所述并联放电防护器件为1M电阻与4KV 1nF电容的并联电路。
在图1中，PHY IC为物理层芯片，ETH_P和ETH_N分别表示物理层芯片的数据收发端，D+和D-分别表示RJ45接口的差分对端，Vin1&2为POE电路的输入电压，Vout为POE电路的输出电压。
在实际应用中，所述双向瞬态二极管的等效电容接近1pF且低于1pF，用于抑制电磁干扰。
在实际应用中，所述POE电路的供电方式为1236芯线供电或者4578芯线供电，所述POE电路的输出电压为12V。
在图1中，板级RJ45垂直插座接口和网口滤波器之间雷击时属于高压区，防雷器件将雷击浪涌泄放到PE外壳，PE外壳和大地在RSU安装后直连接触。仅通过网口滤波器两侧的Bob-Smith电路，无法对8根千兆以太网信号线做到充分的共模差模浪涌防护，靠近RJ45插座侧信号线还需采用三极GDT气体放电管，浪涌电流可选6000A@8/20us电流能力的GDT作高等级泄放防护；为尽量减小防雷器件对PCB布局空间、差分走线、阻抗匹配的影响，该部分千兆以太网信号线防雷器件不选用插件MOV压敏电阻（避免过孔影响阻抗），同时三极GDT采用小封装、方形表贴器件6.8×3.5×3.5mm，以减少影响，利于批量SMT贴片生产；为减小对信号质量的影响，三级气体放电管的等效电容需小于1pF，对辐射类125MHZ及其倍频容易超标的问题有优化改善。
为保证千兆以太网信号完整性，4对千兆以太网信号线还需要作差分等长100Ω阻抗匹配，需要有参考GND层，然而高压区还需要应对雷击浪涌。如图1所示，高压区不可以直接布局设备GND作参考层，以免雷击浪涌影响RSU整机性能，降低EMC等级。为解决这一问题，RJ45接口金属外壳的两个插件引脚（网络名命名为GND_LAN）连接近似孤立的内层铜皮，铺铜布局在RJ45接口和网口变压器（其设置在RJ45接口的差分对端与所述网口滤波器之间）之间的板级内层隔层，作为此部分千兆以太网信号线差分等长100Ω阻抗匹配的隔层参考GND，隔层参考的好处是该部分这4对差分走线线宽可以相应加宽，以承受信号线下一级防护前更多的浪涌耦合残余电流，避免因走线太细过流烧断；同时为应对高压区雷击浪涌，GND_LAN和PE之间通过1MΩ大封装电阻并联1nF 4kV大封装电容单点连接PE螺丝孔；为保证GND_LAN和设备GND之间的电气连接和雷击浪涌防护，GND_LAN和设备GND之间也通过设置一组1MΩ大封装电阻并联1nF 4kV大封装电容。1nF 4KV电容耐压可应对等级4共模4KV浪涌测试，电容通交流阻直流，从EMS（Electromagnetic Susceptibility，即电磁敏感度，指电子设备受电磁干扰的敏感程度）考虑，可以阻隔外界低频高压、ESD（Electro-Staticdischarge，静电释放）等干扰，从EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）考虑，PE良好接大地的情况下还可以避免高频信号辐射出去，与GND_LAN直连PE的做法相比，EMC效果更好。1M电阻可以对电容上积累的电荷进行泄放，保护PCBA，有效应对高等级ESD、EFT（Electrical Fast Transient，电快速瞬变）、Surge（浪涌）等EMS试验；参见图2，PIN1和PIN2为RJ45接口金属外壳的两个插件引脚，这两组电阻电容可以布局在RJ45接口两侧，就近连接PE和设备GND。
在图1中，所述网口滤波器的型号可以为四组三线制，，其中，四组三线制网口滤波器搭配两侧中心抽头采用的Bob-Smith电路（高压电容1nF 4kV）用于信号端接阻抗匹配抑制EMI，及EMS共模防护。由于网口滤波器的芯片侧三线共模电感部分不覆盖48V电源线路，在采用非屏蔽UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线）网线时，48V线路上需放置共模电感可以进一步抑制共模噪声。与信号线的EMC处理方式不同，电源线路不易受防护器件的等效阻容感或者插件过孔阻抗变化影响。所以对于高等级浪涌防护，相对于PE大地来讲，网口滤波器左侧RJ45接口侧的Bob-Smith电路前端增设方形三极GDT串联MOV压敏电阻作共模和差模双防护，下一级并联MOV作电源线路差模防护，这样做不仅可以减小泄露电流影响，还可以增加防护性能，缓解MOV和GDT的压力，降低器件性能退化受损的风险，再下一级TVS作进一步差模防护，电源输入最后一级作Π型滤波或者共模电感Π型滤波输入到POE电路。电源线路上的GDT选型相对信号线比较宽松，可选取浪涌防护等级更高体积更大的器件，GDT串并联MOV组合可以有效提高防雷性能，降低线路损坏风险，弥补单个GDT或者MOV使用时的缺点。另外，网口滤波器的拓朴结构选型需要避免POE供电直流电流导致的磁芯饱和影响EMI，比如两线共模电感在接口侧会导致磁饱和，且两线共模电感在芯片侧的板级共模噪声抑制效果不如三线共模电感。参见图3，支持千兆POE+的网口滤波器可以将POE千兆以太网的电源和信号分离，根据802.3at(POE+)协议通过中心抽头提供0.6A左右的42.5V~48V~57V供电；满足802.3中电气隔离要求，良好的千兆网口滤波器选型可以有效抑制EMI，不失真地传输以太网信号。千兆以太网的设计中，信号线的对称平衡、阻抗匹配很重要，几个pF的不平衡就会引发明显的差模共模转换，导致EMI问题，比如辐射类125MHZ及其倍频容易超标的问题，其中，RJ45接口端的GDT等效电容最大不超过1pF，其作用也是保持对称平衡和阻抗匹配。
在图1中，网口滤波器右侧芯片侧的Bob-Smith电路作共模EMS防护，后级需要再加4组双向TVS管（ESD）作差模EMS防护。由于在千兆以太网中，信号线的对称平衡、阻抗匹配很重要，等效电容量的微小变化都会导致EMI问题，比如辐射类125MHZ及其倍频容易超标的问题，此处双向TVS的等效电容需尽可能低于1pF或者接近1pF，用于抑制电磁干扰；比如1.4pF和2pF的等效电容虽然仅相差0.6pF，但会影响125MHZ及其倍频至少5dB的变化量，所以通过降低千兆以太网信号线上的等效寄生电容量可以有效解决该问题。
在图1中，所述RJ45接口可以通过6类双屏蔽网线传输信号，其中，所述双屏蔽网线的芯线材质为无氧纯铜，单股铜或7根多股铜，以承受POE大功率供电，降低长距离传输功耗及降低千兆通信传输的信号损耗，优化网线的电磁兼容性能。
对于POE电路建议采用成熟的立式模块，可以节省RSU内部空间，简化PCB设计，立式POE模块的设计方法这里不再赘述。对于POE供电，不同的PSE（Power SourcingEquipment，供电端设备）交换机产品供电方式可能不同，标准POE分为两类：1236芯线供电或者4578芯线供电，而本公开可以兼容这两类供电。需要说明的是，本公开的POE输出电压12V更适用于RSU产品，可以方便后级电路设计，减小功耗和发热量。而POE模块输出的12V为低压区，参考地如图1所示为“设备GND”。整个RSU板级低压区都为“设备GND”，在靠近PE螺丝孔的地方增加1M电阻并联4KV 1nF电容的电路进行隔离防护。
本公开的千兆POE供电通信接口，能够在解决辐射类125MHZ及其倍频容易超标的问题，抗扰类雷击浪涌、耦合串扰下无法正常POE供电、千兆高速率通信的问题的同时，还提高EMC等级并保证大功率POE供电和千兆以太网通信正常运行。
本公开的实施例提供了一种路侧单元，包括上述的千兆POE供电通信电路。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种千兆POE供电通信电路，包括RJ45接口和物理层芯片，其特征在于，所述千兆POE供电通信电路还包括用于防护信号线的第一电路和用于防护电源的第二电路，其中，
所述第一电路包括：
一级信号线防护器件，其设置于RJ45接口的差分对端与PE地之间；
二级信号线防护器件，其包括网口滤波器及其周边电路，设置于RJ45接口的差分对端与物理层芯片的数据收发端之间；
三级信号线防护器件，其设置于网口滤波器与物理层芯片的数据收发端之间，
所述第二电路包括：
经过网口滤波器分离出的三极气体放电管串联压敏电阻作为一级电源防护器件，压敏电阻并联瞬态二极管作为二级电源防护器件，输出至千兆POE供电通信电路的Π型滤波器作为三级电源防护器件，
在所述千兆POE供电通信电路中，通过以下方式采用地平面作为电流回路：
在RJ45接口的金属外壳与PE地之间、RJ45接口的金属外壳与内部受保护地之间和内部受保护地与PE地之间分别设置并联放电防护器件，
RJ45接口的金属外壳的两个插件引脚连接内层铜皮，铺铜布局在RJ45接口和网口变压器之间的板级内层隔层，作为信号线差分等长100Ω阻抗匹配的阻抗参考地，其中，所述网口变压器设置在RJ45接口的差分对端与所述网口滤波器之间。
2.根据权利要求1所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述一级信号线防护器件为三极气体放电管，所述三级信号线防护器件为双向瞬态二极管。
3.根据权利要求1所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述并联放电防护器件为1M电阻与4KV 1nF电容的并联电路。
4.根据权利要求2所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述双向瞬态二极管的等效电容接近1pF且低于1pF，用于抑制电磁干扰。
5.根据权利要求1所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述网口滤波器的型号为四组三线制。
6.根据权利要求1所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述RJ45接口通过6类双屏蔽网线传输信号，其中，所述双屏蔽网线的芯线材质为无氧纯铜。
7.根据权利要求1所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述千兆POE供电通信电路的供电方式为1236芯线供电或者4578芯线供电。
8.根据权利要求1所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述千兆POE供电通信电路的输出电压为12V。
9.根据权利要求1所述的千兆POE供电通信电路，其特征在于，所述千兆POE供电通信电路采用立式结构。
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