如何设计兼容现今产品并着眼未来的 PoE 受电设备.docx

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1、如何设计兼容现今产品并着眼未来的 PoE 受电设备IEEE 802.3af 以太网供电(PoE)标准描述了如何通过以太网 CAT-5 电缆分配最高达 12.95W 的功率，以便网络设备能在没有 AC 电源线的情况下工作。IEEE 委员会正在定义一个可提供更高功率的类似标准。目前，802.3af 功率是由供电设备(PSE)提供，PSE 管理功率分配并区分需要供电的用电设备(PD)和不需要供电的纯数据设备。由于 PSE 的检测方法可以实现上述区分，所以用户可以在其现有网络上部署 PoE，而不会损坏纯数据以太网设备。 图1：图3 所示 PD 实例的 I-V 曲线。阴影区域显示 IEEE 限定的检测、

2、分级和接通范围以及作者推荐的范围。因PD 可以放置在没有 AC 电源插座的地方，并从集中放置的不间断供电电源(UPS)获得功率，因此给终端用户带来了极大益处。PD 需要遵循 802.3af 的以太网供电接口和 DC/DC 转换器。但是，由于集成电路不能克服 PoE 的所有挑战：有些问题必须在板级和系统级解决。此外，一个解决方案不能适用于所有情况，设计师要能够在保持可互操作的同时根据其应用的需求定制解决方案。为了帮助设计师在满足应用需求的同时遵循 802.3af 标准并满足互操作性要求，本文列出了 PD 设计面临的多种难题，并用电路实例来说明可能的解决方案。 大多数针对 PD 的 IEEE 80

3、2.3af 标准都可以用图 1 所示的 PD I-V 曲线来描述。该曲线分成 3 个电压范围：2.7V 至 10.1V 是检测范围；14.5V 至 20.5V 是分级范围；30V 至 57V 是供电范围。在这些范围里，PD 的行为是受 IEEE 标准控制的，不过这些范围之间的过渡区域对互操作性来说也同样重要。PSE 在检测范围进行探查以区分具有 25k? 电阻的 PD 和具有 150? 共模终端的非受电设备。在分级范围内，PD 的电流根据它工作所需功率的大小而不同。当输入或端口电压超过 30V 时，PD 开始从电缆获得功率以使其余电路工作。在大多数 PD 中，来自以太网端口的 48V 输入被转

4、换成适用于 PD 电路的 3.3V 或 2.5V。图 2 和图 3 显示的电路实现 PD 的全部 PoE 接口，其中包括 DC/DC 转换。这样一来，PoE 接口就成了一个自含式电源，从而容许 PD 设计师把精力集中于使其 PD 与众不同的电路和软件上。 与电缆链接 图2：从以太网电缆获得PoE功率和10/100数据的以太网磁铁实例。连线CT1-CT4连接到图3的输入端。PD 的 PoE 接口和以太网 PHY 都必须连接到 RJ-45 插座上(参见图2)。75? 共模终端电阻是 AC 耦合的，因此它们不干扰 PoE。该终端连接到电缆的共模扼流圈端，这样扼流圈的电感和高 AC 阻抗不会影响该终端

5、的阻抗。这些通路上的配线和电路板走线需要特别注意，它们需要保持低电阻。电路板采用宽走线并紧密放置元器件，以缩短走线长度。在磁铁(T1-T6)中，就确保 DC 电流不使 T5 或 T6 饱和以及不堵塞数据传输而言，控制线电阻尤其重要。自耦变压器 T1 和 T2 必须一起缠绕，以便中央抽头与该线对两条线之间的电阻相同。即使 T1 和 T2 的缠绕十分完美，电缆电阻仍然可以引起一些 DC 差分电压。通过让 T1 或 T2 的电阻低于扼流圈 T3 和 T4 以及数据变压器 T5 和 T6 的电阻，磁铁能吸引所产生的 DC 电流流经 T1 或 T2。图2 说明了这一点，图中较宽的线代表低电阻连线。把 P

6、D 连接到备用线对非常简单，因为这些连线不传输数据，如图 2 所示，无需磁铁。(就把数据放在备用线对上的千兆以太网而言，把 PD 连接到图 2 中作为数据线对的那个相同磁铁上。) 一旦磁铁从电缆获取功率和数据，那么无论是从备用线对还是从数据线对上看，PD 都是一样的。实际上，就两种电压极性和两个线对而言，我们对 PD I-V 曲线的要求也是相同的。图 3 中 D1-D8 组成的一对二极管电桥把来自两个线对的信号组成一个单极性输出，容许一个遵循 802.3af 标准的 PD 接口(由图 3 中的 LTC4267 控制-LTC4267 PoE 为一受电设备控制器)为两个输入线对和两种极性提供服务。

7、 除了二极管电桥，图 2 还有一个保护 PD 输入的瞬态电压抑制器(TVS)，因为振铃、过冲瞬态和静态电流以及地电位差等可能给电缆加上数百或数千伏的电压。由于电缆具有高达 0.05F 的电容和低串联电感及电阻，所以这些电压所代表的能量可能相当大。瞬态电压抑制器可以吸收大部分能量，但是其余 PoE 接口必须设计成在 TVS 限制电压之前，能够抵挡住比工作电压范围高出 20V 至 30V 的电压。 图3：遵循 802.3af 的 PoE 接口和DC/DC转换器实例图。检测 在建立 PoE 连接的过程中，检测是第一步也是最重要的一步。PD 具有 25k? 共模电阻，而非用电设备具有 150? 电阻或

8、开路共模终端。在 2.7V 和 10.1V 之间，PD 必须具有 251.25k? 检测特征电阻。除了图 3 中与 LTC4267 一起画出的电阻本身，二极管电桥是 PD 25k? 检测特征电阻的最重要部分。这些二极管的正向电压使特征电阻上的电压产生了偏移，IEEE 标准要求这个偏移小于 1.9V(对于在 -40oC 温度下工作的硅二极管足够了)。如图 4 所示，这些二极管的非线性串联电阻影响特征电阻。反向偏置电桥二极管会有泄漏，两个并联二极管的泄漏在 10.1V 反向偏置时必须低于 IEEE 规定的 10A。如图 4 所示，LTC4267 通过集成和优化特征电阻以补偿二极管电桥和它自己的电源

9、电流，极大地减轻了这些问题，减轻了设计师的负担。 分级 表1：IEEE 802.3af PD 级别(注意PD的0级和4级没有列出，也不应该采用。)成功检测之后，大多数 PSE 会对 PD 分级以确定该用电设备会消耗多少功率。分级提高了 PSE 的功率管理能力，容许 PSE 用同样瓦数的电源为更多 PD 供电。例如，9 个消耗功率为 5W 被定为 3 级的 PD 就最大限度地利用了一个 150W 电源的功率，因为该 PSE 必须向每个 3 级 PD 分配 15.4W 功率。如果同样的 PD 定为 2 级，那么该 PSE 会向每个 PD 分配 7W 功率，其 150W 功率可以给 21 个 PD

10、供电。用表 1 可以为 PD 选择合适的级别，选择最大持续功率和峰值电流低于PD 相应参数的最低级数(1、2或3)。 分级是由 PSE 完成的，它强迫端口电压进入分级范围，然后测量 PD 电流。在整个分级区域，PD 的电流必须符合表 1 所列的 3 个范围之一。尽管 802.3af 标准规定在检测和分级之间有超过 5V 的电压，但是这 5V 电压的大部分都被二极管正向电压(VF)随温度的变化给消耗掉。最高温度时，二极管的 VF 大约是 0.5V，而最低温度时这个电压大约为 0.9V。注意图 1 中典型 I-V 曲线的斜坡。如果检测与分级之间的过渡处理得不够平滑，那么可能发生振荡，因为 PD 的

11、分级电流可能使端口电压降低到分级范围之外。即使有来自 PSE 的稳定电压，PD 电流的迅速变化加上电缆 100m 的电感也可能引起振铃。电压在 20.5V 以上时断开分级电流所产生的负电阻可能引起更严重的振荡和互用性问题。为了最大限度地提高互用性，PD 应该尽力实现平滑单调的 I-V 曲线，如图1所示。 加电 进 PD 接通并开始从电缆获得功率，PD 设计就变得更加复杂了，因为 PoE 接口、DC/DC 转换器和其余的 PD 电路要一起配合工作，并保证遵循 802.3af 标准。LTC4267就有为实现这种合作所需的两个最重要的部分：PoE 接口和 DC/DC 转换器。 图4：显示二极管电阻对

12、PD检测特征影响的检测 I-V 曲线。LTC4267 一直等到输入达到 36V 时才开始获得功率，并把浪涌电流限制到 140mA(参见图 1)。通过等待输入达到 36V，LTC4267 在其接通(36V)和断开(30V)电压之间加上了 6V 的迟滞。如果端口电压由于 LTC4267 消耗电流的提高而降低，那么这一迟滞能防止 LTC4267 的断续振荡。一旦 PD 加电，LTC4267 就切换到 375mA 的限流值，从而容许 PD 从电缆获得 12.95W 的满功率。具有较高浪涌电流限制的 PD 将需要一个更大的迟滞(802.3af 最高容许 12V)以防止振荡。 如果 PD 能在 PSE 4

13、00mA 至 450mA 的电流限制下于 50ms 内加电，那么就不需要自己限流。不需要自己限流或在 50ms 内加电的 PD 将由其它设备来关断自己的电源。LTC4267 这样的 PD 控制器集成电路采用电流限制和称为“电源良好”的功能来确保 PD 顺利加电。这种控制器的电源良好输出在 CIN 充电到端口电压之前，保持其余 PD 电路断开。如图 3 所示，在 VPORTN 和 POUT 之间的电压低于 1.5V 之前，LTC4267 的PWRGD 引脚阻止其 DC/DC 转换器工作。采用电源良好信号对 DC/DC 转换器来说是很重要，因为提供恒定输出功率的转换器在其输入电压下降时会消耗更大的

14、电流。如果转换器在低电压时断开，由于它消耗电流较大，可能降低 CIN 充电速度甚至阻止其充电。因此，电源良好功能或其它一些延迟 DC/DC 转换器接通的方法对 PD 成功加电至关重要。 获得功率 50ms 启动时间一到，PD 的 CIN 就应该充电到 VPORT(低于二极管电桥 VF 的 2 倍)，而且 PD 的功耗必须低于它所在级别的最高功耗(参见表 1)。PD 还必须用保持功率特征(MPS)信号表明其继续存在。如果没有 MPS 信号，那么 PSE 会关断电源，防止带电电缆插入不接受功率的以太网设备。MPS 具体体现为一个 10mA 或更高的 DC 电流和一个低于 26.35k? 、与超过

15、0.05F 电容并联的阻抗。极少有 PD 需要特殊电路提供 MPS。在大多数情况下，PD 正常工作所用的 CIN、DC/DC 转换器阻抗和电流能满足 802.3af MPS 的需求。遵循能源之星规定的 PD 以及其它功率很低的 PD(如恒温器等功耗可能在应用中引起问题的 PD)容许给出超过 10mA 的MPS 电流脉冲达 75ms，而脉冲间隔可高至 250ms，这样可把功率降低到大约 100mW。 与 MPS 一样，在大多数情况下，保持在分级限制内是由 PD 的 DC/DC 转换器和从该转换器获得功率的电路来处理的。设计师必须确保 PD 电路消耗的功率永远低于表 1 中相应级别的功率。负载电路

16、不可能消耗 12.95W，因为 PoE 接口(大多数是在二极管电桥)和 DC/DC 转换器损耗了功率。采用低泄漏肖特基二极管可以降低二极管电桥的损耗。图 3 中，LTC4267 的PoE 接口消耗的功率低于 180mW，VPORTN 和 POUT 之间的 1.6? RON MOSFET 损耗 200mW 功率，剩下 12.07W=12.95W-0.50W-0.18W-0.20W。这 12W 中有多少提供给 PD 电路还要取决于 DC/DC 转换器的效率。 隔离 图3 中在 DC/DC 转换器有关的最重要方面是输入与输出之间的隔离。大多数 PD 需要隔离的 DC/DC 转换器，因为 802.3a

17、f 标准要求以太网插座引脚与 PD 之外的其它任何导电部分隔离。隔离的 DC/DC 转换器满足这一隔离要求，其余 PD 电路可以设计成没有附加隔离措施。 绸缪未来 几乎是 802.3af 以太网供电标准刚一发布，用户就开始要求更高功率了。13 瓦对于基本 IP 电话来说足够了，但是就机动化相机、多重无线接入点和具有大型彩色显示屏的产品而言，13 瓦功率让它们受到了严重限制。为此，IEEE 已经新成立了一个名为 PoE+ 的研究小组，该小组将制订新标准，容许更高功率的设备与今天提供的 802.3af 设备共存。 尽管普通 CAT 5 电缆包括 4 个双绞线对，但是802.3af 标准在任何时候都

18、只允许两个线对携带电流。一个可选方案是允许额外电流流过第三和第四线对，从而使可用功率翻倍。第二个可选方案是提高电流限度，容许在两个线对上传送更高的功率。现在这两种方法每种都在专用 PoE 系统中出现了。但是，每种方法都有自己的缺点，因此难于在它们之间做出选择。 利用所有 4 个线对有可能给受电设备(PD)提供最高功率，因为这种方法利用了电缆中的所有传导能力，最大限度地降低了端到端电阻和电阻带来的功率损耗。但是，给所有 4 个线对供电差不多使端口控制器电路的成本翻了一番，因为 4 线对 PSE 必须为每套线对提供检测和故障控制。而 4 线对 PD 必须限制从每个线对获得的电流，而且即使输入线对之

19、间的电压相差非常大时，也必须保持电流平衡。 两线对方法避免了成本和电流平衡问题，只需要对今天 802.3af 设计中已经就绪的电路做很少的修改。两线对设计的问题是电缆延长时的功率损耗，因为与 4 线对方法相比，只有一半连线携带电流。损耗的功率引起电缆发热，给连接器插针和接插板走线增加了负担。功率超过 30W 以后，这些因素可能影响更大。由于插拔过程产生寄生电感，所以更大的电流还会增加产生振铃的机会，增大 PD 或 PSE 电路损坏的风险。 任何大功率方案都必须保持与 802.3af 系统的向后兼容。802.3af PD 必须保证插入 PoE+ PSE 时能工作正常，发生故障时，为了安全，必须在 802.3af 电平上切断。当PoE+ 的PD 插入 802.3af PSE 时，失效过程必须平滑，或者将其功能性限定在只在可用功率范围内正常工作，也可以向用户提供提示信，表明它们?插入到了错误的 PSE 中。 最大限度地增加从以太网端口提供的功率有助于实现新型 PoE 应用，而且充分利用以太网基础设施潜力的标准会比那些为特殊解决方案留出空间的标准有更持久的生命力。增大功率同时又保存使 802.3af 获得成功的易用性以及一致的行为模式是 PoE 必须克服的挑战。