以太網(wǎng)供電方案

以太網(wǎng)供電（PoE）是于2003年6月批準(zhǔn)通過(guò)的IEEE 802.3afTM標(biāo)準(zhǔn)供電技術(shù)，它利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)5類（CAT-5）數(shù)據(jù)電纜傳輸直流電源，在傳遞信號(hào)的同時(shí)也將電源傳遞給用電設(shè)備（PD），如IP電話、無(wú)線接入點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭等，省去了本地電源。在PoE系統(tǒng)中，為PD提供電源的設(shè)備叫供電設(shè)備（PSE）。PD的功耗限制在12.95W，PSE輸出功率限制為每個(gè)RJ-45端口15.4W。考慮到沿CAT-5以太網(wǎng)線（最長(zhǎng)可達(dá)100米）傳輸?shù)碾妷航?，IEEE標(biāo)準(zhǔn)為PD和PSE規(guī)定了不同的額定功率。較長(zhǎng)的電纜將產(chǎn)生較大的電壓降，因此PSE的輸出電壓要高于標(biāo)稱的48V，以使PD獲得足夠的功率。

1 供電設(shè)備

根據(jù)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，PSE提供PD檢測(cè)、分級(jí)、限流以及電源控制功能。一個(gè)有效PD需要具備25kΩ的探測(cè)特征，PSE控制器進(jìn)行PD檢測(cè)時(shí)，按照檢測(cè)條件用一個(gè)2.8～10V的限流電壓對(duì)信號(hào)線進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)測(cè)量V-I，利用斜率計(jì)算出端口電阻，對(duì)端口連接設(shè)備做出判斷：有效PD、開路、低阻負(fù)載、高阻負(fù)載、大電容負(fù)載、正電源、負(fù)電源。為了避免損壞非PD設(shè)備，同時(shí)也為了防止輸出短路時(shí)損壞PSE控制器，PSE在PD檢測(cè)過(guò)程中需要限制電流，通常在2mA以內(nèi)。另外，PSE還需要累計(jì)多個(gè)交流周期以便抑制50Hz/60Hz的電力線耦合噪聲。

圖1

以太網(wǎng)供電技術(shù)的最初推動(dòng)力是VoIP，由于越來(lái)越多的以太網(wǎng)設(shè)備，如RFID閱讀器、PDA充電器、移動(dòng)電話、筆記本電腦等可以采用這種方便的供電方式，IEEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了五個(gè)不同的功率級(jí)別，以便PSE高效地管理功率分配。完成PD檢測(cè)后，PSE控制器將進(jìn)入PD分級(jí)模式，為端口提供15.5V～20.5V電壓，并檢測(cè)進(jìn)入端口的電流，根據(jù)表2所示IEEE 802.3af規(guī)定的PD分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可確定PD的功率等級(jí)。Maxim推出的MAX5945網(wǎng)絡(luò)供電控制器可以控制四個(gè)獨(dú)立的端口，采用36引腳SSOP封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)PD檢測(cè)、PD分級(jí)及AC/DC負(fù)載斷接檢測(cè)功能。圖1給出了MAX5945的典型應(yīng)用電路。

PoE網(wǎng)絡(luò)可以采用端點(diǎn)（endpoint）或中跨（midspan）式PSE實(shí)現(xiàn)。端口PSE存在于網(wǎng)絡(luò)連接的終端。對(duì)端點(diǎn)PSE和PD設(shè)備來(lái)說(shuō)，電源是通過(guò)信號(hào)線對(duì)兒傳輸?shù)?。因?yàn)殡娫匆呀?jīng)通過(guò)了以太網(wǎng)連接的端點(diǎn)上，這種PSE類型提供了一種簡(jiǎn)便的PoE方案，非常適合用來(lái)布署新的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。需要對(duì)現(xiàn)有以太網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)時(shí)，可以用中跨PSE方式將電源插入到以太網(wǎng)中。中跨PSE可以通過(guò)CAT-5電纜中的“空閑線對(duì)兒”傳輸電源，如果只有幾個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備需要供電，這是一個(gè)最具成本效益的方法。MAX5945既可用于端點(diǎn)PSE，也可用于中跨PSE，如圖2所示。

圖2

2 用電設(shè)備

對(duì)于從以太網(wǎng)供電系統(tǒng)獲得電源，用電設(shè)備必須符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求能夠提供PD檢測(cè)及可編程分級(jí)特性信號(hào)。PSE進(jìn)行PD檢測(cè)時(shí)，PD必須提供25kΩ和小于150nf的識(shí)別特征，以便PSE將PD從不需要供電的以太網(wǎng)設(shè)備中識(shí)別出來(lái)。分級(jí)特征代表PD的峰值功率損耗，要求在PSE向端口提供PD分級(jí)檢測(cè)電壓時(shí)能夠吸收特定的電流，PD的分級(jí)電流對(duì)應(yīng)于所示的5個(gè)功率等級(jí)。當(dāng)端口電壓達(dá)30V～40V時(shí)，PD處于欠壓閉鎖狀態(tài)，以防產(chǎn)生檢測(cè)和分級(jí)干擾。

Maxim針對(duì)PD端提供了集PD接口和DC-DCPWM控制器于一體的MAX5941，可用于隔離或非隔離的反激和正激轉(zhuǎn)換器。MAX5941A/MAX5941B的PD接口符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，可以為PD提供檢測(cè)特征信號(hào)、分級(jí)特征信號(hào)和一個(gè)具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開關(guān)，還具有寬滯后的供電模式欠壓鎖定（UVLO）以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能。在檢測(cè)和分級(jí)期間，集成的MOSFET提供PD隔離。MAX5941A/MAX5941B保證檢測(cè)階段的泄漏電流偏差小于10μA?？删幊滔蘖鞴δ芊乐股想娖陂g產(chǎn)生很高的浪涌電流。這些器件的供電模式UVLO具有寬滯后和長(zhǎng)故障消隱時(shí)間等特性，以補(bǔ)償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統(tǒng)在檢測(cè)、分級(jí)和上電/掉電諸狀態(tài)間無(wú)擾動(dòng)轉(zhuǎn)換。

圖3

MAX5941A/MAX5941B中的PWM電流模式控制器可用于設(shè)計(jì)反激式或正激式電源。電流模式簡(jiǎn)化了控制環(huán)的設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了環(huán)路的穩(wěn)定性。集成了高壓?jiǎn)?dòng)調(diào)節(jié)器允許器件直接連接至輸入電源，而無(wú)需外接啟動(dòng)電阻器。內(nèi)部調(diào)節(jié)器提供的電流使控制器啟動(dòng)并開始工作。一旦第三繞組的電壓建立起來(lái)，內(nèi)部調(diào)節(jié)器就被關(guān)閉，而由第三繞組提供PWM控制器運(yùn)行所需的偏置電流。內(nèi)部振蕩器被設(shè)定在275khz，并被微調(diào)至額定偏的10%以內(nèi)。允許使用比較小的磁性元件以縮小電路板空間。圖3所示為MAX5941的典型應(yīng)用電路。圖中，上半部分電路用來(lái)分離出PSE輸送的-48V直流電源，兩個(gè)二極管橋整流器（DF02SA）分別從端點(diǎn)或中跨PSE網(wǎng)絡(luò)配置中獲取電源。電阻器RDISC用于設(shè)置PD探測(cè)特征，當(dāng)二極管橋的阻抗較高時(shí)，應(yīng)采用較小阻值的RDIES來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。電阻器RCL用于確定PD的分級(jí)特征。柵極電容器CGATE用于設(shè)定浪涌電流。正激式DC-DC轉(zhuǎn)換器提供5V輸出電壓。

在分級(jí)模式中，如果PSE提供最高直流電壓，從GND至VRCL的最大壓降為13V。如果42mA的最大分級(jí)電流通過(guò)MAX5941A/MAX5941B，則最大直流功耗將接近546mW，略高于IC在最高工作溫度時(shí)的最大直流功能。不過(guò)，根據(jù)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，分級(jí)模式的持續(xù)時(shí)間被限制在75ms(最大值)內(nèi)。MAX5941A/MAX5941B可以在最大持續(xù)時(shí)間內(nèi)承受這個(gè)最大分級(jí)功耗，而不會(huì)造成任何內(nèi)部損壞。如果PSE違反IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)，超出了這個(gè)75ms最大分級(jí)時(shí)間，則有可能損壞IC。