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          一種基于MAX5980芯片的POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)計(jì)方案

          作者: 時間:2016-11-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            通過方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試,論證了芯片結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)際應(yīng)用的可行性,該方案設(shè)計(jì)完整,運(yùn)行穩(wěn)定,能充分滿足后端網(wǎng)絡(luò)的各類受電器件的正常工作。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201611/340219.htm

            一、引言

            (Power Over Ethernet)以太網(wǎng)供電,指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)的架構(gòu)下不作任何改動,在為一些基于IP的終端設(shè)備(如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等)傳輸數(shù)據(jù)信號的同時,還能同時為此類設(shè)備本身提供直流供電的技術(shù)。設(shè)備包括電源輸出設(shè)備PSE和電源接受設(shè)備PD,本文重點(diǎn)討論電源輸出設(shè)備PSE.

            利用POE技術(shù),用戶無需再為每個連接POE的終端設(shè)備提供墻壁電源,從而節(jié)省了為連接IP電話、無線LAN接入點(diǎn)、視頻監(jiān)視攝像機(jī)、建筑物管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程視頻亭等設(shè)備所須的電源布線成本。

            此外,借助PoE,企業(yè)還能夠?qū)⒁恍╆P(guān)鍵的設(shè)備鎖定在一個電源上,用UPS備份電源支持整個系統(tǒng),如此一來,必將大大提高整個系統(tǒng)的供電保障,從而提高整個系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和安全性。

            二、系統(tǒng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)

            隨著以太網(wǎng)在全球使用日漸趨于平民化,相應(yīng)的組網(wǎng)設(shè)備迅速得以開發(fā),在長期的使用中,與之配套的供電電源一直是困擾組網(wǎng)的終端設(shè)備進(jìn)一步普及的瓶頸之一。于是,通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線對或備用線對來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備供電的標(biāo)準(zhǔn)自然地隨著市場的需求和技術(shù)的開發(fā)得以頒布執(zhí)行。

            IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)對以太網(wǎng)供電(POE)及相關(guān)的實(shí)施細(xì)則做了詳盡的規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)作為一個基于以太網(wǎng)絡(luò)的電源傳輸協(xié)議,詳細(xì)規(guī)定了相應(yīng)的送電設(shè)備(PSE)對受電設(shè)備(PD)進(jìn)行供電的機(jī)理。其中包括了對受電設(shè)備進(jìn)行在線測試,分級處理,啟動供電,斷接保護(hù)等多項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施細(xì)則。協(xié)議還對以太網(wǎng)輸電線路(PTL)作了詳細(xì)的規(guī)定。

            本文的系統(tǒng)方案完全建立在上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì),系統(tǒng)在確保現(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的情況下,同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作,從而最大限度地降低了成本。

            三、芯片選擇與電路設(shè)計(jì)

            在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前,我們比對了國際上多款能實(shí)現(xiàn)PSE功能的芯片,美國美訊公司的因其設(shè)計(jì)卓越,配套方案合理,整個管控渠道的通暢而引起了我們的注意。這在為我們以后的設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。

              

           

            是一款四通路的電源送電設(shè)備(PSE)的電源控制器。芯片是專門為用于符合IEEE 802.3at/af及兼容的PSE設(shè)備設(shè)計(jì)的。

            根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,該器件針對后端的受電設(shè)備具有,探測,分級,限流,和負(fù)載斷開檢測等功能。該器件支持全自動操作同時支持軟件編程控制。該器件還支持新的兩事件分級和針對大功率的受電設(shè)備的第5類探測和分級功能。

            該器件支持單電源供電,每個端口(第五類啟用)可提供高達(dá)70W的功率,同時可提供對后端原有的受電設(shè)備的高容抗檢測。

            根據(jù)的技術(shù)特性,我們首先設(shè)計(jì)了一個4路PSE的電原理圖,如圖1所示。

            根據(jù)芯片資料,PSE控制器MAX5980的輸入電壓設(shè)計(jì)為48V直流。芯片的輸出部分采用4個大功率的場效應(yīng)管作為4個網(wǎng)絡(luò)供電輸出的電流控制端。

            48V直流輸入由開關(guān)電源提供。電源通過網(wǎng)絡(luò)端口輸出,提供給后端的受電設(shè)備。場效應(yīng)管是整個電源輸出的控制回路中的關(guān)鍵元件?;芈分袌鲂?yīng)管的源極接0.25歐姆取樣電阻,然后再返回到芯片。

            輸出電流經(jīng)場效應(yīng)管,通過取樣電阻采樣,監(jiān)測輸出回路的電流。芯片可以隨時通過SENSE端口進(jìn)行取樣,讀取后端PD設(shè)備的負(fù)載特征。經(jīng)過判斷,芯片可控制場效應(yīng)管的G極做出各種控制響應(yīng)。

            根據(jù)802.3at協(xié)議的定義和芯片的功能設(shè)計(jì),芯片將根據(jù)不同的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,然后再進(jìn)行檢測,分級,端口電壓啟動,過流保護(hù),欠壓和過壓保護(hù)等動作。從而實(shí)現(xiàn)整個芯片系統(tǒng)的運(yùn)行。

            在調(diào)試過程中,在48V輸入端并接了2個0.1uf的電容,用來抑制電源的紋波系數(shù),增強(qiáng)抗干擾能力,提高電源的可靠性。同時,在48V的端還選用了SMIB58瞬態(tài)抑制管,用于防止大電流的沖擊,避免器件受損。

            MAX5980的1、2、3腳為外接串行總線的接口線,本文中不采用I2C串行總線,根據(jù)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)要求,必須將這3根線接地。

            芯片的5、6、7、8腳作為器件的從地址的位置編碼端,在設(shè)計(jì)中也必須接地。

            根據(jù)IEEE802.3af協(xié)議對PSE和PD之間接口定義的連接標(biāo)準(zhǔn),POE的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的端口接線方法有兩種接法,如圖2、圖3所示。

              

           

            圖2為A型接法,其中的RJ45端口在承擔(dān)傳輸輸入輸出信號的同時還需要傳輸直流電,1、2芯線為正極輸出,3、6芯線為負(fù)極輸出。

            圖3為B型接法,圖3所示的RJ45的4、5,7、8芯線用做PSE的直流電源的輸出。其中的4、5芯線連接電源的正極,7、8芯線連接電源的負(fù)極。

            由于在RJ45的端口定義中,4、5,7、8芯線不承擔(dān)信號傳輸?shù)墓δ埽虼?,在PSE的設(shè)計(jì)中需要考慮的電氣特性相對簡單。本文中選擇了B型接法作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源輸出,這也將為之后的與交換機(jī)芯片合成帶來方便。

            MAX5980的取樣關(guān)鍵在于輸出電路取樣電阻的測試精度,因此,在具體的PCB布線設(shè)計(jì)時采用了開爾文檢測的布線方式,從而保證了電路的測試精度。這點(diǎn)在具體的布線布局和設(shè)計(jì)中尤為重要。每個取樣電阻都采用1206的封裝,可以減少因電路的走線帶來的采樣偏差。

            四、交換芯片的配合應(yīng)用

            本系統(tǒng)采用IP175C芯片作為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的處理器。該芯片是專門為小型的企業(yè)和家庭級的以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)的處理芯片,芯片已經(jīng)長期使用,狀態(tài)情況良好,性能穩(wěn)定,業(yè)界評價很高,是與MAX5980相配合的理想的交換芯片。

            有關(guān)IP175C芯片這部分本文不再進(jìn)行展開描述,重點(diǎn)對修正部分進(jìn)行必要的闡述。

            為保證MAX5980的工作穩(wěn)定,IP175C的工作電壓必須從MAX5980的輸入端接入,通過LM2594降壓至IP175C所需的工作電壓。同時,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和PSE的端口指示電路的供電電壓也必須從MAX5980的輸入端接入。

            以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號,經(jīng)過IP175C處理器進(jìn)行交換處理,信號從RJ45端口輸出,接口電路如圖4所示。

            為了保證數(shù)據(jù)信號的傳輸質(zhì)量,芯片信號的輸入輸出都是成差分對的,在設(shè)計(jì)和布線時候都必須圍繞著這個特點(diǎn)展開。

            如圖4所示電路中的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器主要用作傳輸信號中的電平轉(zhuǎn)換,以增強(qiáng)數(shù)據(jù)信號的傳輸能力,提高信號的抗干擾能力。

              

           

            PSE的直流輸出如圖所示接入,并通過RJ45端口輸出為后端供電。為了保證電氣特性穩(wěn)定,在2個端口和機(jī)殼間都增加了濾波電容。

            五、POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的仿真測試

            下圖所展示的是POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)仿真測試示意圖。

              

           

            MAX5980在與IP175C網(wǎng)絡(luò)芯片構(gòu)成完整的5口的帶有POE功能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)后,其中的第一端口作為網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)口,用作連接上層交換設(shè)備。其余的4個網(wǎng)絡(luò)端口都具有對后端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)供電的帶有POE功能的端口。在根據(jù)上文的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)完成后,經(jīng)過仿真測試,該方案的設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)時所提出的要求。系統(tǒng)工作正常,性能穩(wěn)定可靠。

            六、結(jié)束語

            本文通過對MAX5980芯片與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)芯片進(jìn)行聯(lián)合分析,提出了基于MAX5980芯片的POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)的POE交換機(jī)作為新推出的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備,對以太網(wǎng)的方便架構(gòu)起著十分重要的作用。

            最后通過方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試,論證了POE芯片結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)際應(yīng)用的可行性,該方案設(shè)計(jì)完整,運(yùn)行穩(wěn)定,能充分滿足后端網(wǎng)絡(luò)的各類受電器件的正常工作。



          關(guān)鍵詞: MAX5980 POE

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