兼容標準的高功率PoE系統(tǒng)設(shè)計

IEEE802.3af標準的制定推動了以太網(wǎng)供電技術(shù)的使用，而TI公司推出的兼容標準的高功率供電管理芯片TPS23841和TPS2376H，很好地解決了25W以內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入問題。本文基于以上兩種芯片設(shè)計出兼容標準的高功率以太網(wǎng)供電系統(tǒng)。
　　1 IEEE802.3af標準簡介

　　IEEE802.3af標準定義了一種允許通過以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時輸送48 V直流電源的方法,它將以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet，PoE）技術(shù)引入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，最大傳輸距離為100m。PoE由供電設(shè)備PSE和受電設(shè)備PD組成。PSE分為端接式和中跨式兩種類型，主要實現(xiàn)對PD的檢測、功率分級（可選）、供電和斷電等功能；PD主要作為標準識別設(shè)備，返回各種符合標準的信號以及持續(xù)工作信號，從而完成整個供電過程。

　　2 PSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　PSE主要實現(xiàn)上述電源管理功能，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。PSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,16位單片機MSP430F147通過模擬I2C總線對TPS23841內(nèi)部寄存器進行讀/寫，來實現(xiàn)電源管理功能；通過P4.0設(shè)置TPS23841的工作模式；通過P2.7獲得出錯信號，從而通過P4.2對TPS23841產(chǎn)生有效的復(fù)位信號。系統(tǒng)中對必要的信號及電源進行了隔離，MSP430F147通過UART接口經(jīng)MAX13085轉(zhuǎn)換為RS485電平后與供電監(jiān)控PC機通信，當沒有與PC機連接時系統(tǒng)會自主運行。

　　TPS23841的工作電壓范圍為21.5~57V,比IEEE802.3af標準定義的電壓范圍大得多。也就是說，TPS23841可以提供上述電壓范圍的供電，這使得以太網(wǎng)供電技術(shù)可以應(yīng)用在醫(yī)療、工業(yè)等24V的供電系統(tǒng)中。同時，可以通過提高輸入電壓的方法將傳輸功率提高到25W，供電可以通過1/2、3/6或者4/5、7/8號線對傳輸?shù)竭h端PD。在特殊情況下也可以通過4個線對同時傳輸供電，這樣可以獲得更高的傳輸功率。交流斷路檢測電路用來產(chǎn)生交流斷路檢測信號，地址設(shè)置電路用來設(shè)置TPS23841的I2C設(shè)備地址，通過設(shè)置不同的地址可以接入多個TPS23841，從而達到擴展供電端口的目的。MSP430F147通過內(nèi)部集成的溫度傳感器實時監(jiān)控系統(tǒng)工作溫度，當過熱時啟動風扇散熱。

　　3 PSE的硬件設(shè)計

　　PSE的供電管理功能主要由TPS23841實現(xiàn)。TPS23841運行時內(nèi)部工作所需的10 V、6.3 V和3.3V由外部供電產(chǎn)生，每個供電端口可以提供高達570 mA的電流，而對每個PD可以提供最高25W的功率。TPS23841內(nèi)部集成了4個獨立的15位A/D轉(zhuǎn)換器，用來測量每個口的電阻、電壓、電流,可以更加精確地實現(xiàn)供電管理功能。如圖2所示，PSE的硬件電路主要由TPS23841及其外圍電路組成。在4個供電回路中加入自恢復(fù)保險絲來實現(xiàn)過流保護的功能，通過加入瞬間電壓抑制器實現(xiàn)過壓保護的功能，由50、51腳引出的電路產(chǎn)生交流斷路檢測信號，在各供電端口加入了顯示電路。I2C的5位地址由外部撥碼開關(guān)S1設(shè)置，三線I2C總線經(jīng)過光耦隔離后連接成為標準的兩線I2C總線。在PSE系統(tǒng)中，通過對MSP430F147編程來實現(xiàn)電源的高級管理功能。

　　4 PSE的軟件設(shè)計

　　TPS23841內(nèi)部集成了標準的I2C模塊，MSP430F147通過I2C通信實現(xiàn)高級電源管理功能。TPS23841具有3種工作模式，分別為自動模式（AM）、半自動模式（SAM）和供電管理模式（PMM）。AM模式下，TPS23841不需要微控制器控制，自動實現(xiàn)對PD的檢測、分級和供電等功能，此模式下采用DC斷路檢測法檢測PD是否斷開；在SAM模式下，TPS23841運行在AM模式下，但可以通過I2C總線來讀取所有狀態(tài)寄存器和A/D寄存器的內(nèi)容，并且可以不需要微控制器參與而自動完成對PD的檢測；在PMM模式下，可以執(zhí)行AC斷路檢測，并且可以獲得每個PD的電壓與電流參數(shù)，供電管理更加靈活。當TPS23841工作在SAM和PMM模式時需要微控制器MSP430F147來完成整個供電管理過程。PSE的運行控制過程如圖3所示?？刂瞥绦蛑饕獙崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化、控制TPS23841、與PC通信，以及對數(shù)據(jù)進行封裝與解析等功能。當沒有與PC機連接時，設(shè)置TPS23841工作在AM模式下，TPS23841將自主運行；當與PC機連接時，系統(tǒng)將按照用戶的要求將TPS23841設(shè)置為相應(yīng)的工作模式，在SAM和PMM模式下，能夠采集到各個端口的運行參數(shù)，在PMM模式下可以對各個端口的供電進行控制。系統(tǒng)最后將采集到的數(shù)據(jù)封裝后通過RS485發(fā)送到PC機。