標(biāo)準(zhǔn)以外的高功率 PoE 解決方案

引言

IEEE 802.3af 以太網(wǎng)供電 (PoE) 標(biāo)準(zhǔn)于 2003 年 6 月批準(zhǔn)通過(guò)。此后，諸如 IP 電話(huà)與無(wú)線(xiàn) LAN 接入點(diǎn)等眾多應(yīng)用紛紛開(kāi)始遵從這一最新標(biāo)準(zhǔn)。PoE 市場(chǎng)中新推出了用于以太網(wǎng)線(xiàn)纜兩端的幾種 PoE 電源控制器。例如，TPS2383A 是符合 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的控制器，用于線(xiàn)纜的供電設(shè)備 (PSE) 端，而 TPS2375 則是 IEEE 802.3af 用電設(shè)備 (PD) 控制器，用于線(xiàn)纜的下行端。上述控制器不僅簡(jiǎn)化了 PoE 設(shè)計(jì)，而且還使之更為可靠，并符合標(biāo)準(zhǔn)。采用 PoE 之后，越來(lái)越多的終端設(shè)備都設(shè)計(jì)為可以直接從以太網(wǎng)線(xiàn)纜/RJ-45 連接器獲得電力。但是，IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)限制 PSE 可提供的功率為 15.4W，而用于 PD 的功率為

12.95W。如果應(yīng)用要求的功率大于 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)允許的量，則設(shè)計(jì)人員就要以創(chuàng)造性方法推出標(biāo)準(zhǔn)以外的解決方案。幸運(yùn)的是，目前市場(chǎng)中提供的器件可用于上述類(lèi)型的設(shè)計(jì)。我們應(yīng)當(dāng)記住，這些解決方案要求 PSE 提供更高的功率，但范圍仍保持在以太網(wǎng)線(xiàn)纜和 RJ-45 連接器的最大安全工作電流之內(nèi)。

高功率用電設(shè)備

就符合 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的 PD 而言，所采用的最大 DC 電流為 350mA，限流為 450mA。為了從 PSE 獲得更高的功率，我們可用熱插拔控制器實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)以外的高功率 PD。我們可采用如圖 1 所示的 TPS2490 實(shí)施此類(lèi)解決方案。工作電流與限流都由電流感應(yīng)電阻器和所選的外部MOSFET 進(jìn)行外部設(shè)置。感應(yīng)電阻器RS設(shè)置最大DC限流，且應(yīng)用應(yīng)選擇外部MOSFET。此外，通過(guò)選擇電阻分壓器 RPROG1 和 RPROG2 來(lái)對(duì)功率限制特性進(jìn)行編程，TPS2490 還可用于保護(hù)外部MOSFET（見(jiàn) TPS2490 數(shù)據(jù)手冊(cè)）。正如我們所指出的那樣，就其從線(xiàn)纜所獲得的功率量以及被檢測(cè)為有效 PD 的情況來(lái)看，該解決方案是超出標(biāo)準(zhǔn)之外的。

圖 1. 帶有標(biāo)準(zhǔn)以外 UVLO 的高功率 PD

如果我們需要 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)所定義的有效 PD，那么與 RUV1 及 RUV2并聯(lián)的等效電阻 RDET 就可被設(shè)為約等于 24.9Kohms。這就能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)定義的有效 PD 檢測(cè)電阻要求了。我們還應(yīng)注意，選擇 RUV1 和RUV2 時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足所需的通電閾值（見(jiàn) TPS2490 數(shù)據(jù)手冊(cè)）。

為了實(shí)現(xiàn)符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的打開(kāi)和關(guān)閉輸入閾值電壓，我們還要添加額外的電路，如圖 2所示。該電路還可用于編程打開(kāi)和關(guān)閉閾值，通過(guò)調(diào)節(jié) RUV1、RUV2 以及 RUV3 的電阻值來(lái)達(dá)到所需范圍。RUV1 和 RUV2 間的分壓決定了打開(kāi)上升閾值電壓，而 RUV1||RUV3 與 RUV2 間的分壓則決定了輸入的關(guān)閉閾值電壓。

圖2. 高功率 PD，帶有符合 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的 UVLO（39.4V 上升，30.6V 下降）

就圖 1 與圖 2 所示的兩個(gè) PD 而言，F(xiàn)ET 應(yīng)為一個(gè) N 通道 MOSFET，帶有 100V 的漏極額定電壓。它還應(yīng)具備 20V 的閘極額定電壓以及 2A 或更高的漏極額定電流。為了通過(guò) PD 前級(jí) (front stage) 獲得更高功率，應(yīng)選擇 RS 的電阻值，這樣限流就比最大負(fù)載電流高出約 20%。舉例來(lái)說(shuō)，如 PD 最大負(fù)載（DC/DC 轉(zhuǎn)換器）為 22W（或最小輸入電壓 44V 上的最大等效負(fù)載電流為0.5A），則限流可設(shè)為 0.6A，這就需要把 RS 設(shè)為約 83mW。

圖 1 和圖 2 所示的解決方案都帶有高側(cè)開(kāi)關(guān)。眾多應(yīng)用并不關(guān)心使用高側(cè)還是低側(cè)開(kāi)關(guān)，但有些PD 卻更希望使用低側(cè)開(kāi)關(guān)。為了配置低側(cè)開(kāi)關(guān) PD，需要一個(gè)低側(cè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。圖 3 顯示了采用 TPS2399 的解決方案。TPS2399 是一個(gè)額定為 100V 的電流斜波熱插拔控制器，其正好適用于超出標(biāo)準(zhǔn)以外的低側(cè)開(kāi)關(guān) PD 控制器。

圖 3. 帶有低側(cè)開(kāi)關(guān)的高功率 PD

這種設(shè)計(jì)與圖 1 所示幾乎相同，但可采用不同的控制器來(lái)處理低側(cè)開(kāi)關(guān)。由于 TPS2399 控制器有著不同的限流感應(yīng)閾值，因此感應(yīng)電阻必須不同，這才能達(dá)到與圖 1 所示相同的限流。遵循前面的例子，限流應(yīng)設(shè)為 0.6A。就圖 3 所示的應(yīng)用而言，感應(yīng)電阻 RS 應(yīng)大約為 67mW，而非83mW。

假定圖 1 和圖 3 所示 RDET、RUV1 以及 RUV2 的等效輸入電阻約 25kW，則以上所有三個(gè)解決方案都應(yīng)將 PD 設(shè)置為 0 類(lèi)，這就可實(shí)現(xiàn)從各自的 PSE 獲得最大功率。

高功率電源設(shè)備

根據(jù)設(shè)計(jì)，即便是 PD 可用于獲得更高功率，其也有可能無(wú)法得到所需功率，因?yàn)榉?IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的 PSE 也有功率限制。如圖 4 所示，采用TPS2383 而又符合標(biāo)準(zhǔn)的 PSE 所允許的線(xiàn)纜最大持續(xù)電流僅為 0.35A（或功率為 15.4W，限流為 0.4A），因?yàn)殡娏鞲袘?yīng)電阻為 0.5W（與 IRFD110 串聯(lián)）。允許從源極獲得更高功率的簡(jiǎn)單方法就是降低感應(yīng)電阻值，這樣限流就會(huì)變高。舉例說(shuō)來(lái)，如果要求從 PSE 獲得

19.25W 的功率（而不是從符合標(biāo)準(zhǔn)的 PSE 獲得15.4W），則只需將感應(yīng)電阻器的電阻值降低至 0.4W，這就可向 PSE 輸出上的 RJ-45 連接器提供0.4375A的持續(xù)DC電流（限流 0.5A）。

圖4. PSE 解決方案（顯示了符合標(biāo)準(zhǔn)的 PSE）

以上解決方案符合除額定功率（或額定電流）以外的所有 PoE 標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，如果 IEEE 802.3af 兼容性對(duì)應(yīng)用不重要，那么我們也可將其他通用熱插拔控制器用于 PSE。

結(jié)論

PSE 向以太網(wǎng)線(xiàn)纜提供比 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的更高功率是可能的，PD 通過(guò)適當(dāng) PSE 與 PD 設(shè)計(jì)調(diào)整從線(xiàn)纜獲得更高功率也是有可能的。

參考書(shū)目

1. 1. TPS2375、TPS2376、TPS2377、IEEE 802.3af PoE 用電器件控制器，數(shù)據(jù)手冊(cè)(SLVS525)，德州儀器；
2. 2. TPS2490、TPS2491 正極高壓功率限制熱插拔控制器，數(shù)據(jù)手冊(cè) (SLVS503)，德州儀器；
3. 3. TPS2398、TPS2399 -48-V 用于冗余電源系統(tǒng)的熱插拔控制器，數(shù)據(jù)手冊(cè) (SLUS562A)，德州儀器；TPS2383A 八通道電源設(shè)備功率管理器，數(shù)據(jù)表 (SLUS559A)，德州儀器。