面向以太網(wǎng)電源的高功率設(shè)計(jì)分析

針對(duì)以太網(wǎng)電源(PoE)的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將直流電源與10/100/1000Mbps數(shù)據(jù)一起傳輸，從而為以太網(wǎng)帶來(lái)了新的面貌。其中，PoE帶來(lái)了一系列獨(dú)特的問(wèn)題，對(duì)于許多具備設(shè)計(jì)以太網(wǎng)設(shè)備經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)，他們并不熟悉針對(duì)這些問(wèn)題的新的思維方式。PoE現(xiàn)在常用于VoIP 電話、無(wú)線接入點(diǎn)和安全攝像機(jī)。隨著PoE的發(fā)展，有必要增強(qiáng)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的了解以使新的應(yīng)用成為可能。

通過(guò)回顧標(biāo)準(zhǔn)可見，PoE鏈接容許受電設(shè)備(PD)從供電設(shè)備(PSE)吸取最多12.95W的功率。PoE鏈接或端口受到PSE的控制，PSE通過(guò)在上電前的檢測(cè)和分類，可以識(shí)別 PD并監(jiān)測(cè)該端口(ICUT、ILIM和斷開)。PSE承擔(dān)了大部分PoE的負(fù)擔(dān)，它必須檢測(cè)PoE并無(wú)縫地?cái)嚅_電源，以避免損壞原有的設(shè)備。如果PSE 不能充分地執(zhí)行分類、供電和監(jiān)測(cè)等功能，那么，就可能出現(xiàn)間歇性故障并造成供電不穩(wěn)定。PSE不能控制一切；當(dāng)它提供電源的時(shí)候，它相信PD是符合標(biāo)準(zhǔn)的，并以無(wú)振蕩的方式打開電源，從而避免吸取比要求更多的功率。因?yàn)閮深愒O(shè)備都必須協(xié)作，所以，PD和PSE設(shè)計(jì)工程師要從兩設(shè)備的觀點(diǎn)出發(fā)考慮設(shè)計(jì)問(wèn)題。

新興應(yīng)用需要更大的功率

13W對(duì)于基本功能IP電話是足夠的，但是，對(duì)于電動(dòng)攝像機(jī)、多點(diǎn)無(wú)線接入和大屏幕彩色顯示器等應(yīng)用，功率卻嚴(yán)重不足。IEEE目前正在制訂更大功率的標(biāo)準(zhǔn)，稱為PoE+(官方稱為IEEE802.3at)將與目前可用的 802.3af設(shè)備共存。由新標(biāo)準(zhǔn)定義的最終功率級(jí)別還沒(méi)有確定，但是，到目前為止，很可能我們將看到30W的兩對(duì)供電系統(tǒng)和60W的4對(duì)供電系統(tǒng)。 IEEE802.3at委員會(huì)已經(jīng)下達(dá)了令人畏縮的任務(wù)，要定義一種安全、更大功率、后向兼容并與現(xiàn)已部署的802.3af設(shè)備互通的全球標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榫帉戇@種規(guī)范的復(fù)雜性很高，我們預(yù)期從現(xiàn)在開始算起，一到兩年內(nèi)不可能看到最終規(guī)范。

雖然典型的CAT5電纜有四對(duì)雙絞線，但是， 802.3af標(biāo)準(zhǔn)僅僅容許其中兩對(duì)線在給定時(shí)間內(nèi)傳送電流。一種選擇是容許第三和第四對(duì)線傳送額外的電流，從而使可用功率翻一番。第二種選擇是提大電流的限制，容許相同的線對(duì)傳送更大的功率。這些技術(shù)都已經(jīng)出現(xiàn)在專用的PoE系統(tǒng)之中。然而，每一種方法都有缺點(diǎn)，使在它們之間作出選擇更為復(fù)雜。

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)大功率PSE

在過(guò)渡時(shí)期，有些應(yīng)用需要大功率，等待新標(biāo)準(zhǔn)的到來(lái)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。為此，有幾種解決方案。下列是構(gòu)建在符合基本802.3af標(biāo)準(zhǔn)之上的電路(翻譯注釋： complaint應(yīng)該是compliant)，圖1a所示PSE電路采用LTC4258，圖1b所示PD電路采用LTC4257。如果該應(yīng)用需要斷開交流，在PSE電路中可以用LTC4259取代；如果應(yīng)用要集成開關(guān)調(diào)整器，在PD電路中可以采用LTC4267取代。


圖1a：采用LTC4258實(shí)現(xiàn)的符合基本802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PSE電路。




圖1b：采用LTC4257實(shí)現(xiàn)的符合基本802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD電路。

大功率工作

下列電路例子展示了實(shí)現(xiàn)大功率工作的幾種辦法。注意：在下面的一些PSE電路中，通道4被用于描述電路的變化，但是，也可以采用任何其它通道。

兩對(duì)大電流方案

通過(guò)簡(jiǎn)單地改變傳感器電阻的數(shù)值(圖1a中的RS1到RS4)，就可以增加PSE的功率級(jí)別。RSn被設(shè)為0.5Ω，符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 (375mAICUT,425mAILIM)。例如，將RSn減小到0.25Ω，就可以把電流限制增加一倍(750mAICUT, 850mAILIM)。當(dāng)采用短電纜時(shí)，這就可以把PD功率增加一倍；如果電纜較長(zhǎng)，其損耗就會(huì)增加，從而把傳遞給PD的功率限制為小于原來(lái)的兩倍。


圖2a：雙電流大功率、符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PSE。

注意，LTC4258也采用傳感器電阻來(lái)檢測(cè)直流的斷路。把該電阻的數(shù)值減少到0.25Ω，直流斷路門限就可以增加一倍，技術(shù)上就不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。其它 802.3af參數(shù)就不受影響：檢測(cè)和分類仍然符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；而交流斷路門限(僅僅對(duì)LTC4259)不受傳感器電阻變化的影響。因?yàn)樗岣叩闹绷鏖T限存在斷開非常低功率的802.3afPD的風(fēng)險(xiǎn)，盡管這種風(fēng)險(xiǎn)比較??；對(duì)于具備802.3afPD的互通性，推薦采用交流斷路。

要改變每個(gè)通道的其它兩個(gè)元件，以處理額外的電流。典型情況下，MOSFETQ4要用較大的器件取代，以在電流限制期間承受更大的功率。在這種應(yīng)用中，采用D2PAK封裝的IRF530類器件就足夠了。此外，也要指定PoE數(shù)據(jù)磁性模塊以承載更高的電流。幾家磁性元件供應(yīng)商最近推出了具有足夠電流能力的器件。

通過(guò)增加兩個(gè)新元件，我們可以在符合802.3af的工作和大功率條件兩者之間進(jìn)行切換。在這種情形下，RS4要設(shè)置為原始的 0.5Ω數(shù)值，并要選擇RS4B，以便RS4IIRS4B提供期望的更大電流。把RS4B設(shè)置為0.5Ω(與RS4的數(shù)值相同)，就可以把大功率模式設(shè)置為802.3af的功率電平的兩倍。

當(dāng)Q4B關(guān)閉的時(shí)候，端口工作在符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的模式。打開Q4B開關(guān)，端口就工作在大電流模式。這種切換可以在任何時(shí)間進(jìn)行：在檢測(cè)/分類之前；在檢測(cè)/分類之后，但是要在端口上電之前；或在供電之后。注意，Q4B可以采用低壓 MOSFET，因?yàn)閮H僅Q4的漏極具有高端口電壓。Q4B要選擇導(dǎo)通電阻非常低的MOSFET，以防止在更大電流限制中精度不夠。例如， IRLML2502就是采用SOT-23封裝的一種合適的器件。

對(duì)PD的改變稍微復(fù)雜一些(圖2b)，因?yàn)閮?nèi)部的MOSFET被預(yù)先配置為工作在375mA限制電流。然而，添加受PWRGD引腳控制的外部無(wú)源器件，就容許工作在大電流模式；與此同時(shí)，維持完整的802.3af檢測(cè)和分類特征，且限制瞬間峰值電流。


圖2b：兩對(duì)大功率PD。

四對(duì)小電流方案

為了增加傳遞到PD的功率，另外一種技術(shù)是在CAT-5電纜中為所有四對(duì)線供電。圖4a所示為四對(duì)PSE電路，其中每一對(duì)都具有標(biāo)準(zhǔn)的802.3af電源。對(duì)傳感器電阻的數(shù)值不需要作出變更。


圖3a：四對(duì)802.3af電源。

四對(duì)PD電路是最大的變化(圖4b)?，F(xiàn)在需要采用兩個(gè)LTC4257器件，電源電路必須具備足夠的智能，以便把從每一個(gè)通道吸取的電流限制在 802.3af規(guī)范容許的范圍之內(nèi)。要做到這一點(diǎn)，就要平衡從每一對(duì)線吸取的電流或平衡從每一對(duì)線吸取的功率，直到它接近(但是不超過(guò))ICUT極限，然后，才從其它線對(duì)吸取電流。這種電路可能相當(dāng)復(fù)雜，不同的設(shè)計(jì)之間差異也很大。


圖3b：四對(duì)小電流PD。

四對(duì)技術(shù)(four-pairtechnique)的優(yōu)點(diǎn)是利用了電纜中的所有導(dǎo)線，最大限度地減少了總的電纜阻抗及長(zhǎng)電纜所產(chǎn)生的功率損耗。任何利用標(biāo)準(zhǔn)電流的大功率技術(shù)也完全接近符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)閮H僅采用信號(hào)對(duì)或備用對(duì)就能夠符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。主要缺點(diǎn)是復(fù)雜性高，價(jià)格昂貴。PSE的每一個(gè)端口需要兩個(gè)通道的控制器芯片，將端口密度減少了一半；而PD需要兩個(gè)通道和附加的電流平衡電路，以確保從每一對(duì)線吸取的電流不超過(guò)最大值。此外，如果只有信號(hào)對(duì)具有連續(xù)性，四對(duì)技術(shù)就不管用，正如在一些CAT-3建筑安裝中看到的那樣。

因?yàn)樗膶?duì)線方案的成本昂貴且復(fù)雜性高，在中等功率級(jí)別，人們寧愿采用兩對(duì)大電流技術(shù)。只有當(dāng)PD功率上升到35W以上，四對(duì)系統(tǒng)才最為適用。

四對(duì)大電流方案

把大電流電路與四對(duì)連接結(jié)合起來(lái)，可以沿著電纜比其它任何技術(shù)傳遞更多的功率。四對(duì)大電流容許沿著100米的CAT-5電纜向PD傳遞50W的功率，如果電纜長(zhǎng)度縮短的話，所傳遞的功率要更大。盡管這種方案存在所有以前方案的缺點(diǎn)，但是，所傳輸?shù)墓β蕝s最大。對(duì)于50W以上的功率，長(zhǎng)的電纜很快會(huì)出現(xiàn)“阻抗匹配”問(wèn)題，在此，電纜所消耗的功率比傳輸給PD的功率還要大。如果縮短電纜的長(zhǎng)度，就可以進(jìn)一步增加電流，其數(shù)值最終受限于RJ45連接器、磁性元件的偏置電流和CAT-5電纜中溫度上升的程度。極大功率(>50W)電路只應(yīng)該用于由同一供應(yīng)商指定整個(gè)解決方案的系統(tǒng)之中。

分類：何時(shí)適用大功率

特別情況下，如果不采用上述電路，一種辦法就是確定何時(shí)把大功率施加在線路上。在正常情形下，所有技術(shù)都將成功地為符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD供電。雙門限電路需要從PD獲取一些信息以了解何時(shí)切換門限；而四對(duì)方案需要了解何時(shí)才適合切換到第二組導(dǎo)線。IEEE802.3at委員會(huì)正在努力解決這些問(wèn)題，但是，還沒(méi)有確定最終方案。在過(guò)渡時(shí)期，需要采用特殊的方案來(lái)識(shí)別大功率PD。

802.3af定義了不使用的類(第四類)，看起來(lái)就像為大功率PD特制的；LTC4258/59PSE芯片和LTC4257/67PD芯片都支持第四類。幸運(yùn)的是，第四類PD如果插入標(biāo)準(zhǔn)的 802.3afPSE之中的話，它就可以采用第三類限制電流供電；而如果它試圖吸取更大的功率，它就會(huì)重復(fù)地打開和關(guān)閉。第四類可以被用作為連接了大功率PD的“報(bào)警”信號(hào)，但是，建議在傳輸更大功率之前，先發(fā)出一個(gè)附加的握手信號(hào)。理想情況下，大功率PD應(yīng)該從大功率PSE接收某種信號(hào)，確認(rèn)“工作在大功率模式”是可接受的。如果沒(méi)有收到握手信號(hào)，PD就應(yīng)該向用戶發(fā)出某種信號(hào)，表示它插入了錯(cuò)誤類型的PSE。