POE網口供電設備的負載裝置實現方法

0   引言

POE 即以太網供電網絡，由電氣與電子工程師協會于2003 年6 月發布，標準為IEEE802.3af，它在IEEE802.3 標準的基礎上將直流電源耦合進以太網技術，可以同時為接入的滿足要求的網絡設備傳輸數據和提供電源。隨著近幾年互聯網技術的飛速發展，物聯網概念開始興起，萬物互聯的時代即將到來。各式各樣的網絡設備、物聯網家居產品相繼面世，特別是一些有線接入的物聯網設備，如IP 電話、網絡攝像機、LED 照明燈、無線接入設備等，在接入互聯網時需要額外布置電源線和插座，給這些設備安裝帶來了諸多的不便。而帶POE功能的網絡交換機或路由器就可以為這些設備直接供電，所以帶POE 功能的網絡交換機或路由器的需求也越來越多。這些帶POE 網口的供電設備在認證中需滿足GB4943.1? 2001標準或IEC 62368 ?1: 2018標準的要求：受試設備要在正常工作的最嚴酷條件下進行試驗^[1]和“向其他設備供電的設備的輸出電力，除直接與電網電源連接的插座和電氣插座外，要接上最不利的負載阻抗，包括短路^[7]”。這就要求帶POE 供電網絡的受試設備的POE 網口要滿負荷帶載試驗，在沒有符合IEEE802.3af 標準的受電端設備激活POE 網口的情況下，很難對POE 網口帶載，而普通的受電設備（如IP 電話、網絡攝像機等）又不能使POE 端口滿負載輸出。所以設計一款符合IEEE 802.3af 標準的能使POE 設備網絡端口滿負載輸出的負載裝置在產品的認證測試中就顯得極其重要。

1   以太網供電技術的介紹

1.1 以太網基礎

一般的交換機或路由器網口都采用RJ45 端口，傳輸介質一般為無屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）。UTP 內含8 跟導線，每根導線直徑約0.5 mm² ，兩兩相絞在一起，形成4 對，采用不同的顏色區分。RJ45 端口與UTP 連接一般采用TIA/EIA （電信工業協會/ 電子工業協會）568B 標準，其規定了UTP 線對2和線對3（共4 芯線）分別做發射和接收，分別接在RJ45 端口的針腳1（ Tx + ，發射正）、針腳2（ Tx ? ，發射負）和針腳3（ Rx + ，接收正）、針腳6（ Rx ? ，接收負）^[3]，而其他線對處于空閑狀態，如圖1 所示。

圖1 RJ45端口接線

設備入網時，將兩端都是RJ45 插頭的UTP 網線分別連接到網卡和交換機的RJ45 插座上，但網卡的發送/接收信號線必須與交換機的接收/ 發送信號線交叉相連，以保證網卡的接收端連接到交換機的發送端，網卡的發送端連接到交換機的接收端，如圖2 所示。UTP 線上的發送和接收線對是分開的，這樣就不會在同一UTP 線對上出現發送信號和接收信號沖突的現象，而且采用了一種沖突檢測機制，當檢測到發送線對和接收線對同時有信號時，就認為產生沖突而停止工作。

圖2 交換機內部信號線交叉

1.2 POE的工作原理

POE（power over ethernet）是指在原有以太網標準的基礎上，為一些有線接入的網絡設備（IP 電話、網絡攝像機、LED 照明燈、無線接入設備等）提供數據傳輸的和直流電源的技術。POE 系統包括：提供電源的供電設備（power sourcing equipment，PSE）和使用電源的受電設備（PD，power device）。PSE 即POE 系統中提供電源的設備，同時實現對輸出端口功率的規劃和管理。PSE 的供電方式有兩種：中跨方式（midspan）和端跨方式（endspan）。中跨方式是在以太網設備外部接入1個擴展的電源設備，原有傳輸信號的線對保持不變，利用雙絞線中未使用的備用線對給設備供電。而端跨方式是將供電的控制電路集成到以太網設備中，在以太網供電控制電路的控制下，把電源加在以太網端口隔離變壓器的中心抽頭，利用UTP 線的傳輸線對為設備供電，或者利用UTP 線中未使用的備用線對給設備供電[2]。PD 設備是接收供電的PSE 負載，即POE 系統的客戶端^[3]，本文所要實現的負載裝置即PD 設備。

POE 供電系統的主要供電參數為^[4]：

1）供電電壓為(44~57) V，一般為48 V；

2）最大啟動電流為500 mA，允許的最大電流為550 mA，工作的電流一般為：(10~350) mA，過載時的檢測電流為(350 ? 500) mA；

3）在空載條件下，最大電流不超過10 mA ；

4）為受電設備（PD）提供(3.84~12.95) W 5 個等級功率請求，最大不超過13 W [4]。POE 供電系統的工作過程為：

1）檢測：PSE 設備的端口輸出一個很小的檢測電壓，直到檢測到連接在線纜終端的設備是一個滿足IEEE802.3af 標準的受電設備。

2）PD設備的分類：當檢測到滿足要求的PD設備后，PSE 設備開始為PD 設備分類，并根據PD 設備的要求分配功率等級。

3）開始供電：在一個小于15 μs 的啟動時間內，PSE 設備開始從低壓開始為PD 設備供電直到提供48 V的直流電壓為止。

4）供電：PSE 設備始為PD 設備提供穩定可靠的48 V 直流電源，并滿足PD 最大不超過13 W 的功率消耗。

5）斷電：當PD 設備從網絡上斷開時，PSE 設備會快速地在(300 ? 400) ms時間內停止位PD設備供電，并重復步驟1 檢測線纜終端是否有滿足要求的受電設備^[4]。

當有網絡設備連接到帶POE 功能的PSE 設備時，PSE 設備會先檢測接入的網絡設備是否符合供電要求，若不符合POE 標準則只進行數據傳輸，因為額外的供電可能會損壞該網絡設備。檢測過程是PSE 給接入的設備提供一個電流受限的(2.0 ? 10.0) V的電壓，用于檢測該設備是否有符合POE 標準的25 kΩ 特性電阻。只有檢測到滿足要求的特性電阻，PSE 設備才會提供48 V直流電壓。接著PSE 設備會根據PD 設備的功率請求進行分類，以高效的方式同時為不同PD 設備供電。PSE設備開始供電后，會持續地監測PD 設備的電流輸入，當PD 斷開連接或輸入電流小于10 mA 時，PSE 設備會停止供電并一直重復檢測過程。

標準的UTP 線中有四對雙絞線，但是在進行數據通信時只用到其中的2 對（線對2 和線對3），POE 通過線纜供電時可以通過沒有使用的備用線對進行供電，也可以用數據引腳進行供電，兩種供電的電路如圖3 所示。當使用備用引腳進行供電時，4、5 引腳接為正極，7、8 引腳接為負極；當使用數據引腳供電時，是將DC 電源加在網絡變壓器的中心抽頭上，它是以共模輸出的方式加在雙絞線上，因而不會影響差模數據的傳輸，該方式下兩數據引腳線對是可以任意極性的。IEEE 802.3af標準中不允許同時使用上述兩種情況，PSE 設備只能提供一種供電方式，但是PD 設備必須自動適應兩種供電方式。

2   受電設備負載裝置的實現方法

當網絡設備接入PSE 設備時，PSE 會監測接入的設備是否滿足IEEE802.3af 標準的PD 設備， 只有滿足要求的PD 設備，PSE 才會為PD 供電。所以設計的負載裝置必須是滿足IEEE 802.3af 的PD 設備。隨著以太網技術的不斷發展，國際芯片公司紛紛推出了具有自己特色的以太網供電管理芯片。對于PD 設備的電源管理芯片比較出名的有：德州儀器（T1） 的TP2370/TP2371/TP2375/TP23750、ADI 公司的LTC4257/LTC4257-1/LTC4267、美信公司（Maxim，2021 年被ADI 收購）的MAX5940A/MAX5940B/MAX5941A/MAX5941B 等^[3]。本文受電設備負載裝置采用的是ADI公司的LTC4257 ?1芯片。LTC4257 ?1芯片具有可編程的分級電流、良好的互補電源輸出、內置25 kΩ特征電阻、過熱保護機制、欠壓閉鎖保護等特性，其封裝和內部原理如4 所示^[6]：

圖3 POE通過電纜供電的兩種接法

圖4 LTC4257-1芯片的封裝和內部原理

由圖3 可知，PSE 設備有兩種供電方式，且當使用數據線對進行供電時，電源的極性是任意的，作為受電設備負載裝置必須適應兩種方式，且能自動識別出電源的正負極。負載裝置設計時可用二極管整流橋識別出電源的極性，同時用兩個同樣的二極管整流橋組成的邏輯或電路來適應兩種PSE 供電方式，如圖5 所示。

圖5 受電設備負載裝置的前端接口電路

LTC4257 ?1的工作模式根據輸入電壓來決定，輸入引腳V_IN的電壓以引腳GND 為參考點，引腳GND 的電壓必須大于引腳V_IN的電壓，才能保證芯片正常工作。下面我們根據LTC4257 ?1的各個工作模式情況來實現負載裝置的電路設計。

偵測階段：一開始供電設備提供一個(2.0~10.0) V的電壓給受電設備負載裝置，用于探測負載端是否有25 kΩ 的特性電阻，若存在，這負載裝置是滿足PSE 供電要求的PD 設備。有圖4 可知，在GND 引腳和VIN 引腳間串聯著一個9 kΩ 和16 kΩ（共25 kΩ ）的特征電阻。而在16 kΩ 電阻上又并聯一個N 溝道增強型MOS 管，柵極外接到芯片的SIGDISA 引腳?？梢酝ㄟ^SIGDISA引腳來控制MOS 管，即控制GND 引腳和VIN 引腳間的阻值，從而控制受電設備是否能被監測到。本次設計的負載裝置希望一接到PSE 設備時就能被監測到，這時只要將SIGDISA 引腳連接到VIN 引腳即可。

分級階段：當PSE 設備監測到滿足供電要求的負載時，PSE 設備將對負載裝置進行功率分配，以滿足不同功率要求的負載裝置。一旦PSE 探測到負載端有25 Ω電阻時，PSE 的電壓上升到15.5 到20.5 V 之間。由圖4可知，此時GND 引腳和RCLASS 引腳導通，在RCLASS 引腳和VIN 引腳接入一個RCLASS 電阻，此時PSE 端可監測通過RCLASS 電阻的電流來對負載裝置進行功率分級。分級探測電路如圖6 所示，功率分級和RCLASS 電阻上的電流關系如表1 所示。從表1 可知，為了使PSE 設備滿最大功率輸出， RCLASS 的取值應為45.3（ Ω ， 1% ）。在分級階段，VIN 引腳和VOUT 引腳間的MOS管始終是截止的，即VOUT 端沒有電壓輸出，能量沒有傳遞到芯片的后端。整個分級過程滿足IEEE 802.3af 的要求在75 ms 內完成，以保證LTC4257 ?1不會因為分級時間過長消耗大量能量而過熱保護。

供電階段：在偵測階段和分級階段后，PSE 供電電壓持續升高，當GND 引腳和V_IN 引腳間的電壓大于ULVO 閾值時，GND 引腳和V_IN 引腳間的MOS 管導通，LTC4257 ?1將能量傳遞到后面的負載端，如圖7所示。

圖6 分級探測電路圖

圖7 欠壓保護（ULVO）結構圖

斷電階段：PSE 設備有兩種方法來檢測PD 是否斷開：直流斷路檢測方法：當PSE 設備在檢測到PD 設備的電流在給定的時間內TDIS (300 ? 400) ms保持低于閾值IMIN (5～10) mA時，就認為 PD 設備是斷開的，PSE 設備就會停止供電；交流斷路檢測方法：PSE 設通過向端口施加一個交流電壓，并監測PD 設備的輸入電流，從而計算出PD 設備的交流輸入阻抗，只有當交流阻抗小于26.2 kΩ ，才認為有PD 設備相連，否則斷開電路停止供電。

在認證測試過程中，按GB4943.1? 2011標準要求：帶POE 功能的網絡設備必須在滿負載狀態下進行安規測試，以保證在最大功率下，網絡設備也滿足認證標準要求的。所以受電設備的負載裝置，必須使POE 設備的端口滿負載輸出12.95 W ，而一般POE 輸出電壓是48 Vdc ，從而可求得負載裝置的負載電阻約為178 Ω ，考慮到電阻前端的電路會有功率消耗，負載電阻采用4個5 W/47 Ω 的水泥電阻，其實現電路如圖8 所示。圖中的D10 為LED 燈，用于指示該端口是否被PSE 設備激活。一般帶POE 功能的網絡設備都有多個POE 網口，所以受電設備的負載裝置也要有多個的PD 負載，單個端口就有近13 W 的功率，且負載端用的都是純阻抗，發熱量大，需要風扇進行散熱。本負載裝置風扇采用DATA1238B8M 風扇，規格為48 Vdc ， 0.23 A ，風扇為可選配置，根據負載的發熱情況選擇性接入。由圖8 可知：當未接入風扇時， Q1 是導通的，POE 電壓直接給水泥電阻供電，當接入風扇時， Q1 截止，斷開了水泥電阻，POE 電壓給風扇供電。這樣就保證了單個POE網口都滿足以最大功率輸出，不會出現過載的情況。

圖8 受電設備負載裝置電路圖

3   結束語

隨著互聯網技術的快速發展，特別是萬物互聯的當代，網絡設備的需求也越來越大，設備的功率也越來越大。特別是帶POE 功能的網絡設備，由于本身自帶供電功能，給連接的受電設備帶來的方便，省去了電源布線的繁瑣。但是功率越大的網絡設備也存在更大的安全隱患，特別是帶多個POE 網口的網絡設備，功率可達上千瓦。大功率網絡設備帶來的是更大的發熱而引起的安全隱患，還有在大功率輸出狀態下和高溫狀態下網絡設備電氣結構的穩定性不好。所以在做安全認證時，必須保證這些網絡設備在滿負載輸出時也符合安規標準要求。因為只有在最嚴酷的條件下滿足安規要求，才能保證在任何功率下的網絡設備也符合安全標準要求。所以能使POE 網絡設備滿負載輸出功率的受電設備負載裝置在安規認證中是不可缺少的輔助測試設備。

參考文獻：

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[7] IEC/TR 62368-1:2018 Audio/video,i n f o r m a t i o n a n dc o m m u n i c a t i o ntechnology equipment-Part2: Explanatoryinformation[S].2018.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期）