（本文编译自Electronic Design）
若你正在设计采用以太网供电（PoE）或数据线供电（PoDL）的相关设备，这些系统的技术根源可追溯至传统电话服务（POTS）。尽管从POTS发展到PoE/PoDL系统期间已涌现出诸多创新，但POTS作为19世纪末至20世纪末“家用电话”所依赖的有线通信服务，其技术逻辑仍对现代供电通信系统具有参考意义。由于许多工程师已长期未关注POTS技术，回顾其发展历程有助于理解为何电路防护在PoE和PoDL设计中始终占据核心地位。
某种意义上，POTS可视为最早不依赖传统交流市电为设备供电的系统之一。简要回顾其技术原理：电话线采用一对被称为“尖线（tip）”和“环线（ring）”的导体，两导体间通常维持-48V直流电压。
这一电压设置的主要目的是防止中心局（CO）与用户端之间的铜线腐蚀，同时为电话功能提供电力支持。在此-48V直流电压基础上，还叠加了供用户间通话使用的“高频”交流语音信号，通俗来讲，就是两位朋友之间的电话通话信号。
与POTS通过单对导线同时传输电力和通信信号的原理相似，PoE和PoDL将这一概念延伸至数字时代。PoE技术允许网络线缆同时为IP摄像头、无线接入点、VoIP电话等设备传输数据和电力，无需额外配备独立电源。
而PoDL虽采用类似设计思路，但它是专为使用单对以太网（SPE）的汽车和工业应用场景量身打造的。它通过单对双绞线同时传输电力和高速数据，非常适合结构紧凑、对功耗敏感的环境。
然而，这种“同一物理介质同时传输电力和数据”的便利性也带来了一项关键工程挑战：防护设计。正如早期电话系统必须应对雷击、线路故障和信号完整性等问题一样，现代PoE和PoDL系统也必须配备相应组件，以保护精密电子设备免受潜在电气危害。
这些电气危害包括浪涌、静电放电（ESD）以及过流等情况。任何一种危害都可能损坏连接设备或中断数据通信。在工业自动化、汽车网络、安全基础设施等对可靠性要求极高的场景中，稳健的防护机制更是不可或缺。
为PoE和PoDL设计有效的防护方案需要精准平衡多重需求。防护组件必须能够抵御电气故障，同时不能引入会干扰高速数据传输的噪声或阻抗。从供电设备（PSE）到受电设备（PD），实施恰当的安全措施对于保障系统长期稳定运行至关重要。
那PoE和PoDL系统中将采用怎样的防护策略与组件，以及为何需要做好防护设计呢？
PoE与PoDL的基本供电特性
在深入探讨PoDL和PoE系统的防护设计要点之前，先概述两种供电方式的核心原理。这两项技术均基于“同一物理介质同时传输电力和数据”的设计理念，但在电压等级、功率容量和布线基础设施等关键方面存在差异，而这些差异直接影响其防护方案的设计逻辑。
PoE技术广泛应用于企业和消费级场景，为无线接入点、VoIP电话和安防摄像头等设备供电。其工作电压通常在44至57伏之间，而IEEE 802.3bt（PoE++）等新一代标准的源头供电功率可达90瓦。
更高的功率容量使PoE能够支持高分辨率摄像头和智能楼宇基础设施等功耗需求更高的设备，内置的分级和协商协议可确保根据受电设备的需求安全、合理地传输电力。
相比之下，PoDL专为汽车和工业等特殊场景设计，这些场景对空间、重量和能效要求极高。PoDL系统的供电电压更低，通常在12至58伏之间，且经过优化以适配传感器、执行器和控制模块等低功耗设备。
IEEE 802.3cg标准规定其最大输出功率为52瓦，该技术的核心并非追求大功率传输，而是在紧凑且有时环境恶劣的场景中，提供足以保障设备可靠运行的精准供电。不过，随着汽车领域向区域控制架构发展，这一现状可能会发生改变，未来PoDL或许需要支持超过52瓦的更高功率输出。
图1展示了一个采用单对以太网（SPE）和数据线供电（PoDL）实现的区域控制架构示例。
这些差异也体现在两种系统所使用的布线基础设施中。PoE依赖标准以太网线缆，最常用的是包含四对双绞线的超五类（Cat5e）或六类（Cat6）线缆。
根据所采用的标准和配置不同，电力可通过其中两对或全部四对双绞线传输，连接则通过常见的RJ45连接器实现。这一特性使得PoE易于集成到现有网络基础设施中，非常适合对安装速度和灵活性有较高要求的部署场景。
而PoDL采用单对以太网（SPE）线缆，大幅减小了线缆的尺寸和重量。这在汽车和工业场景中尤为有利，这些场景的布线空间有限，且需要尽可能降低线束复杂度。PoDL应用中使用的连接器专为耐用性和可靠性设计，通常能够承受振动、潮湿和极端温度等环境因素，而这些因素在企业级PoE环境中并不常见。
图2：左侧为SPE连接器，右侧为标准以太网所使用的RJ45连接器。
在评估防护需求时，理解这些在功率等级、布线方式和工作环境方面的基础性差异至关重要。PoE和PoDL系统面临的电气风险、故障场景及环境应力差异显著，因此防护策略必须量身定制，以确保系统的安全性、可靠性并符合相关标准要求。
PoE与PoDL：供电特性各异，防护方案相通
尽管PoE与PoDL在电压等级、功率容量和布线基础设施方面存在差异，但两者仍遵循一套共同的核心防护原则。通过同一介质传输电力和数据会带来固有的电气风险，因此这两项技术均采用了精心设计的机制和器件，以保障其在各类环境中安全可靠运行。
两者的核心共性之一是初始检测与分级流程。在施加电力之前，PoE和PoDL系统都会先执行设备检测，验证所连接的设备是否兼容且具备受电能力。这一“握手”过程可避免向非合规设备或敏感设备输送电力。
检测完成后，系统会进入分级阶段，识别受电设备的功率需求，从而仅提供必要的电流，既保证能源效率，又保障设备安全。
过流和过压物理防护器件是两者共有的关键防护手段。过流防护的作用是限制线缆传输的电流大小，防止过热、潜在火灾风险或连接设备损坏，这通常通过传统保险丝或聚合物PTC自恢复保险丝实现。
过压防护对维持系统可靠性同样至关重要。由于线缆长度较长且可能存在人员接触，雷击、静电放电（ESD）等多种因素都可能引发电压瞬变。
常用于过压防护的器件包括瞬态电压抑制（TVS）二极管、气体放电管（GDT）和压敏电阻。这些器件通过钳位或短路方式将多余能量从子系统转移，其寄生电容和工作电压值各有不同。
无论是过流防护组件还是过压防护组件，PoDL和PoE均会同时采用，为供电链路的两端提供全面可靠的防护。
图3：PoE可用于为照明系统供电，此类照明系统在PoE架构中充当受电设备（PD）。
最后，电气隔离在保障系统完整性方面发挥着关键作用。这两项技术通常会集成变压器或电容器，实现电源与受电设备的电气隔离。这不仅有助于防止地环路和不必要的电流路径形成，还能保护精密设备免受连接链路两端可能出现的电压尖峰或浪涌影响。
通过实施这些共通的防护策略——检测、分级、过流防护、过压防护及电气隔离——工程师能够实现PoE和PoDL系统在安全性、可靠性和合规性方面的设计目标，无论它们的应用领域差异多么大。
PoE与PoDL是否存在独特的防护需求？
尽管PoE与PoDL共享诸多基础防护机制，如检测、过流与过压防护及电气隔离，但由于二者的目标应用场景不同，它们也存在独特的防护需求。这些差异主要源于各自的工作环境，以及在性能、耐用性和安全性方面的不同要求。
一个关键区别体现在两种技术所处的物理与电气环境中。PoE系统通常部署在办公室、学校或数据中心等受控室内环境，这些场景的温度、湿度和电气噪声相对稳定。因此，PoE的防护机制可更侧重于符合网络标准和基本电气安全要求。
相比之下，PoDL专为汽车、工业及户外等恶劣且往往不可预测的环境设计。这些场景会使设备面临极端温度、振动、潮湿和电磁干扰（EMI）的影响。因此，PoDL系统需要更强大的防护能力以抵御环境和电气应力，包括先进的电磁干扰屏蔽和热管理解决方案，从而确保性能的一致性和可靠性。
这种环境差异也延伸到了浪涌和瞬态防护方面。PoE通常需要符合IEC 61000标准规定的基础浪涌防护，这对于室内安装已足够。然而，PoDL系统必须满足更为严格的汽车和工业标准，例如ISO 7637-2和ISO 16750-2中的负载突降波形要求。这些标准要求防护电路具备更强的性能，能够承受高能脉冲和反复出现的瞬态信号，且不会出现性能衰减。
图4：展示了负载突降的示例电路和波形，这种现象通常发生在发电机正在为车辆电池充电时，电池突然断开连接的场景中。
最后，连接器的安全性设计也反映了两种系统的不同需求。PoE采用标准RJ45连接器，这类连接器本身具备隔离特性，非常适合清洁的室内安装环境。它们的应用范围广泛，且内置了防误插和电气故障防护机制。
而PoDL可能会使用更具专用性的连接器，这些连接器必须满足严格的汽车或工业标准。它们通常需要额外的防护设计，以抵御湿气侵入、振动、电弧和污染物影响，确保即使在最严苛的条件下也能实现长期可靠运行。
简而言之，尽管PoE和PoDL的防护策略基于相似的核心原则，但由于运行环境和性能预期的差异，其具体实现方式存在显著不同。理解这些差异对于设计不仅功能完备，且在整个生命周期内都安全可靠的系统至关重要。
数字化集成PoE与PoDL系统应对复杂挑战
回顾数字化集成、具备功率感知能力的PoE与PoDL系统的发展历程，不难发现，尽管通过通信线路为设备供电的理念并非新生事物，但现代系统的复杂性及其所面临的需求已大幅提升。
从基础的检测、过流与过压防护，到差异化的测试波形要求和环境屏蔽设计，PoE与PoDL各自具备独特的运行需求，需要量身定制的解决方案。但二者始终围绕着一个共同的工程目标，即实现安全、可靠且高效的连接。
随着以太网技术向新领域不断拓展，深入渗透到工业自动化、汽车平台和智能基础设施中，理解并实施稳健的电路防护策略将变得愈发重要。无论你是设计安全的办公网络，还是打造高可靠性的车载系统，上述提到的核心原则都将为构建长效稳定的系统奠定基础。
归根结底，通过认识这些技术不断演变的防护需求，工程师和系统设计师将能更有效地打造下一代智能、具备功率感知能力的网络。正如昔日的POTS技术一样，这些新型网络将在后台默默为我们的世界提供动力，同时维系着万物互联。
