關(guān)于RJ45連接器必須了解的那些事兒 RJ45千兆PoE傳輸 × RJ45的浪涌

1.千兆以太網(wǎng)供電 (PoE) 接口 – 技術(shù)、信號(hào)

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(cè)功率高達(dá) 73 W 的系統(tǒng)。開啟時(shí)電壓 > 42 V。正常運(yùn)行時(shí)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(jí)，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(shè)備上提供高達(dá) 12.95 W 的功率。

·IEEE 802.3at (PoE+) 提供 30 W 輸出功率，或在終端設(shè)備上提供高達(dá) 25.5 W 的功率。

·IEEE 802.3bt (4PPoE) 提供 90 W 輸出功率，終端設(shè)備最高可達(dá) 71.3 W。

·IEEE 802.3bu (PoDL) 適用于單對(duì)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(shè)備 (PSE) 和受電設(shè)備 (PD，負(fù)載)，建議最大電纜長度為 100 米。由于導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)效率低下。例如，在 Class 4 等級(jí)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(dá) 12.5 Ω，允許的最大電流為 600 mA。

這導(dǎo)致電纜中功率損耗高達(dá) 4.5 W，效率僅為 82%！

PoE 已在 IEEE 802.3af-2003 標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3-2005 第 33 節(jié)）或 2009 年更新版 IEEE 802.3at 中進(jìn)行了規(guī)范。根據(jù)系統(tǒng)的不同，會(huì)采用不同的供電技術(shù)。

·數(shù)據(jù)對(duì)：通過初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的中間抽頭對(duì)供電；

·空閑對(duì)：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(duì)線對(duì)中只有兩對(duì)用于數(shù)據(jù)傳輸。另外兩對(duì)空閑的線對(duì)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(duì)應(yīng)于“空閑對(duì)供電”。PoE 剛推出時(shí)，它是最安全的方式（見表 2上），即通過一根線纜同時(shí)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(duì)于 1000BASE-T（千兆以太網(wǎng)），所有四對(duì)線均用于數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)，數(shù)據(jù)和電源通過相同的線對(duì)傳輸（見表 2下），因此這相當(dāng)于“數(shù)據(jù)對(duì)”。這種方法在這里是可行的，因?yàn)閷?duì)于通過雙絞線電纜的以太網(wǎng)，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸通過每對(duì)線進(jìn)行，并通過變壓器去耦。信號(hào)傳輸本身與非 PoE 傳輸沒有區(qū)別；數(shù)據(jù)速率和信號(hào)幅度相同。

表 3：上電順序及相關(guān)電壓范圍

2.千兆以太網(wǎng)接口，帶 PoE 接口結(jié)構(gòu)

符合 IEEE 802.3at 標(biāo)準(zhǔn) (PoE+)，受電設(shè)備 (PD) 功率高達(dá) 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(fù)載連接可從 PSE 和 PD 側(cè)變壓器的中心抽頭獲取。每對(duì)線對(duì)通過中心抽頭以共模方式工作，作為直流電源（正極或負(fù)極）的一側(cè)，因此需要兩對(duì)線對(duì)才能完成電路。直流電源的極性并不重要，因?yàn)檎髟谑茈娫O(shè)備 (PD) 側(cè)進(jìn)行。受電設(shè)備必須使用以下兩對(duì)線對(duì)中的一對(duì)進(jìn)行供電：備用線對(duì) 4-5 和 7-8，或數(shù)據(jù)線對(duì) 1-2 和 3-6。

3.上電過程、PoE檢測(cè)

PSE（供電設(shè)備）供電前，必須先對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行分類。這樣可以避免對(duì)不支持 PoE 的終端設(shè)備造成損壞，并通過對(duì) PD（受電設(shè)備）進(jìn)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(shè)備是否支持 PoE 供電，以及它屬于哪個(gè)類別。因此，根據(jù)終端設(shè)備的不同，電源和終端設(shè)備之間需要進(jìn)行信息交換（握手過程），終端設(shè)備據(jù)此傳達(dá)其 PD 類別。為了在第一步中區(qū)分支持 PoE 的終端設(shè)備和不支持 PoE 供電的終端設(shè)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(shè)備配備一個(gè)包含無源元件的輸入電路，用于此目的。PSE 電流源會(huì)使用測(cè)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(gè)檢測(cè)階段，將確定性能等級(jí)（表 1）。在此階段，PD 會(huì)逐漸升高電壓，直到其發(fā)出信號(hào)指示其屬于 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中定義的四個(gè)性能等級(jí)中的哪一個(gè)。然后，系統(tǒng)會(huì)提供正確的電源。此檢測(cè)過程總共需要大約一秒鐘。為防止損壞終端設(shè)備，一旦 PD 從 LAN 中移除，PSE 就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉相關(guān)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(guān)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(jí)的細(xì)分（根據(jù)表 3 進(jìn)行分類），以及檢測(cè)或分配等級(jí)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(jí)劃分（根據(jù)表 3 分類）以及 PSE 和 PD 之間環(huán)路電流的相應(yīng)必要范圍；忽略中間值；分類電流 = 通過 PD 的定義負(fù)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(gè)附加等級(jí)。該標(biāo)準(zhǔn)完全向后兼容之前的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)，可以與較舊的 Type 1 和 Type 2 設(shè)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(duì)線對(duì)，以限制線路損耗。為了降低 PSE 和 PD 之間的線路損耗并實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，對(duì)線纜提出了很高的要求；概述如表 5所示。

表 5：PoE 標(biāo)準(zhǔn)概述，包括每個(gè)端口的相關(guān)功率、使用的線對(duì)和電纜類別

二、RJ45的浪涌保護(hù)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(gè)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(luò)信號(hào)的傳輸質(zhì)量和減少干擾設(shè)計(jì)。其主要作用如下

1)共模抑制

Bob Smith電路為信號(hào)線上的共模噪聲，提供了一個(gè)低阻抗的回流路徑

2)阻抗匹配

為實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配效果，減少回波干擾，次級(jí)線圈中間抽頭一般會(huì)經(jīng)由75Ω電阻后下拉接地。

3)浪涌防護(hù)

浪涌防護(hù)分為共模防護(hù)和差模防護(hù)，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(hù)

信號(hào)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(duì)于RJ45未使用的引腳，也必須接上Bob Smith電路，以達(dá)到信號(hào)阻抗匹配，抑制對(duì)外輻射干擾。

差模防護(hù)

如上圖所示的差模浪涌泄放路徑，要求網(wǎng)絡(luò)變壓器本身能抗住2KV浪涌，同時(shí)差模會(huì)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(huì)在數(shù)據(jù)線上靠近PHY放置雙向TVS器件或其他防護(hù)措施。

RJ45保護(hù)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(huì)損壞以太網(wǎng)相關(guān)器件。因此有些應(yīng)用會(huì)對(duì)RJ45接口做額外的雷擊防護(hù)。如下圖所示，增加陶瓷氣體放電管、ESD和TVS器件，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈不能共地，中間需要有隔離區(qū)，PCB禁止覆銅，信號(hào)地和sheild需要加磁珠。

三、RJ45連接器中性鹽霧測(cè)試與鍍金要求關(guān)系分析

1.RJ45連接器鹽霧測(cè)試核心要求

中性鹽霧測(cè)試（NSS）作為評(píng)估RJ45連接器環(huán)境適應(yīng)性的核心手段，其測(cè)試時(shí)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125及ASTM B117，RJ45連接器的鹽霧暴露時(shí)間需結(jié)合應(yīng)用場景嚴(yán)苛程度分級(jí)設(shè)定，并關(guān)聯(lián)特定的鍍金層結(jié)構(gòu)要求：
消費(fèi)電子/普通商業(yè)應(yīng)用：工作環(huán)境腐蝕風(fēng)險(xiǎn)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(shí)鹽霧測(cè)試，要求測(cè)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(shè)備：面臨溫濕度波動(dòng)及化學(xué)污染，鍍金層需提升至≥1.0μm，鎳底層≥5μm。測(cè)試時(shí)長延長至48-96小時(shí)，要求192小時(shí)后功能電阻仍保持穩(wěn)定。

汽車電子/海洋設(shè)備：需耐受除冰鹽、高鹽霧等極端腐蝕，采用復(fù)合鍍層（如鎳+鈀+金）或金層≥1.5μm。測(cè)試要求通過96-240小時(shí)嚴(yán)酷驗(yàn)證，部分場景需疊加CASS（銅加速醋酸鹽霧）測(cè)試。

判定失效的核心指標(biāo)包括：電氣性能（接觸電阻增幅＞20%）、機(jī)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(jí)RJ45在96小時(shí)測(cè)試后若出現(xiàn)接觸電阻突變，表明鎳阻擋層失效導(dǎo)致底層銅腐蝕擴(kuò)散。

2.鍍金參數(shù)與鹽霧耐久性的量化關(guān)系

2.1 金層厚度與孔隙率的抗腐蝕機(jī)制

鍍金層的防護(hù)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(dāng)金層＜0.3μm時(shí)，電鍍結(jié)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(xué)腐蝕。厚度提升至0.5μm以上時(shí)，孔隙率顯著降低；當(dāng)達(dá)到1.0μm時(shí)，孔隙率可控制在≤5個(gè)/cm2，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大幅下降。但金層過厚（＞2.0μm）將增加成本且可能因內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致脆性開裂。

鍍金工藝缺陷的典型影響：

雜質(zhì)污染：有機(jī)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(dǎo)致鍍層疏松多孔。

電流密度失準(zhǔn)：振幅設(shè)置錯(cuò)誤或振動(dòng)電鍍參數(shù)失調(diào)，導(dǎo)致局部結(jié)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(dòng)，改變硬金（Au-Co/Au-Ni）合金比例，降低致密性。

2.2 鎳底層的關(guān)鍵作用

鎳層在鍍金結(jié)構(gòu)中承擔(dān)雙重角色：機(jī)械支撐層與腐蝕阻擋層。當(dāng)厚度≥3μm時(shí)，可有效阻隔銅基材與金層的離子擴(kuò)散；提升至5μm以上時(shí)，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(cè)試表明，無鎳層的鍍金銅合金在24小時(shí)內(nèi)即出現(xiàn)紅銹，而含5μm鎳層的樣品在96小時(shí)后僅邊緣輕微變色。

表：RJ45連接器鍍金參數(shù)與鹽霧測(cè)試表現(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.鹽霧測(cè)試條件對(duì)結(jié)果的關(guān)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(xué)反應(yīng)，溫度每升高10℃，反應(yīng)速率提升2–3倍。標(biāo)準(zhǔn)NSS測(cè)試要求恒溫35±2℃，若偏差至40℃，96小時(shí)測(cè)試等效實(shí)際腐蝕量可達(dá)168小時(shí)。沉降量則需嚴(yán)格控制在1.0–2.0ml/80cm2·h，沉降不足會(huì)低估腐蝕性，而過高則導(dǎo)致液膜增厚加速氧擴(kuò)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(shí)海洋大氣。濃度＞5%時(shí)，氧溶解度下降反而降低鋼鐵腐蝕速率；但對(duì)銅合金，腐蝕速率持續(xù)遞增。pH值則是敏感性參數(shù)：當(dāng)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(cè)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(shí)的1.8倍，導(dǎo)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(shí)際工況。