高效的以太網(wǎng)供電解決方案降低了總體成本

IEEE 802.3at 規(guī)范定義的以太網(wǎng)供電 (PoE) 是通過一條 CAT-5 以太網(wǎng)電纜安全地傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)和電源的方法。由于它支持靈活地在任何地方安裝設(shè)備，沒有在附近提供交流電源的限制，也不需要電工進(jìn)行安裝，因此，它得到了廣泛應(yīng)用。最初的 IEEE 802.3af PoE 規(guī)范限制了供電至受電設(shè)備 (PD) 的功率只有 13W，這也就限制了設(shè)備的應(yīng)用范圍，例如 IP 電話和基本安防攝像機(jī)等。在 2009 年，IEEE 802.3at 規(guī)范將支持的功率增大到 25.5W。但是，這還是無法滿足功率要求越來越高的 PoE 應(yīng)用需求，例如，微微蜂窩基站、無線接入點(diǎn)、LED 標(biāo)牌和加熱云臺(tái)變焦 (PTZ) 室外攝像機(jī)等。在 2011 年，凌力爾特公司發(fā)布了新的專有標(biāo)準(zhǔn) LTPoE++™，將 PoE 和 PoE+ 規(guī)范擴(kuò)展到 90W 供電，同時(shí)還維持與 IEEE PoE 標(biāo)準(zhǔn) 100% 的兼容。它支持四種不同的功率等級(jí) (38.7W、52.7W、70W、90W)，可以根據(jù)應(yīng)用要求來調(diào)整電源供電。

LTPoE++ 供電設(shè)備 (PSE) 采用了更智能的PSE隔離體系結(jié)構(gòu)，以減少元器件數(shù)量，盡量少使用昂貴的外部元器件。全面的電纜放電保護(hù)和 80V 絕對(duì)最大值的引腳保證了現(xiàn)場(chǎng)工作的高可靠性。采用外部 FET 使散熱性能可滿足應(yīng)用需求，提高了系統(tǒng)效率，增強(qiáng)了長期可靠性。LTPoE++ 體系結(jié)構(gòu)只需要一個(gè) PSE 和 PD 控制器，就能夠通過 4 對(duì) 100m CAT-5e 電纜提供 90W 的功率。

系統(tǒng)隔離要求

要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)供電，需要仔細(xì)的選擇體系結(jié)構(gòu)和元器件，以降低系統(tǒng)成本，同時(shí)提高性能和可靠性。一個(gè)成功的設(shè)計(jì)必須滿足IEEE隔離要求，在短路和過流事件時(shí)保護(hù) Hot Swap™ FET，或者符合 IEEE 規(guī)范。PoE 規(guī)范清楚地闡述了隔離要求，在 PD 應(yīng)用電路中，確保斷開接地環(huán)路，維持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)完整性并降低噪聲。

傳統(tǒng)的 PSE 隔離體系結(jié)構(gòu)在主機(jī)至 PSE 控制器接口處隔離數(shù)字接口和電源。光耦合器等數(shù)字隔離單元本質(zhì)上非常昂貴而且不可靠。能夠?qū)崿F(xiàn)隔離功能的IC成本非常高，不支持 I2C 高速傳送。而且，對(duì) PSE 邏輯供電的隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器增大了電路板面積和系統(tǒng)成本。

輕松實(shí)現(xiàn)隔離

凌力爾特公司的 12 端口 (LTC4270 / LTC4271) 和 8 端口 PSE (LTC4290 / LTC4271) 芯片組采用了不同的 PSE 隔離方法，將所有的數(shù)字功能遷移到隔離邊界的主機(jī)側(cè) (圖1)。這極大的降低了所需元器件的成本和復(fù)雜性。不再需要單獨(dú)的隔離 DC/DC 電源;LTC4271數(shù)字控制器可以使用主機(jī)的邏輯電源。LTC4271 使用變壓器隔離通信方法控制 LTC4290 或 LTC4270。低成本和廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)變壓器對(duì)可替代 6 個(gè)光耦合器。在協(xié)議中編程實(shí)現(xiàn)含有端口管理、復(fù)位和快速端口關(guān)斷功能的I2C通信機(jī)制，從而降低了輻射能量，提供 1500V 的隔離。

圖1: LTC4290 / LTC4271芯片組實(shí)現(xiàn)了隔離功能，不需要任何光隔離器以及專用隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器

可靠的電纜放電保護(hù)功能

考慮 PoE 設(shè)計(jì)的可靠性非常重要，特別是處理大量的電纜、高電壓、大電流或者高溫的情況。凌力爾特公司在這方面經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)計(jì)了低成本、大吞吐量的電路保護(hù)方案，能夠靈活的調(diào)整滿足 IEC61000電纜放電電壓要求。只需要一個(gè) TVS 來保護(hù)高電壓模擬電源，而在每一個(gè)輸出端口上采用一對(duì)低成本箝位二極管 (圖 2)。端口上的二極管引導(dǎo)有害的浪涌進(jìn)入電源軌中，它們被浪涌抑制器以及VEE旁路電容吸收掉。浪涌抑制器還有保護(hù) PSE 控制器不受 VEE 供電瞬變影響的優(yōu)點(diǎn)。凌力爾特的 PSE 控制器在所有模擬引腳上還有 80V 絕對(duì)最大額定限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瞬變的保護(hù)。

圖 2: 可靠的電纜放電保護(hù)

降低功耗

凌力爾特的第四代 PSE 和 PD 控制器與 IEEE 802.3at 規(guī)范完全兼容，而且 LTPoE++ 功率達(dá)到了 90W，同時(shí)通過使用低 RDS(ON) 外部 MOSFET 和 0.25 檢測(cè)電阻減小了熱耗散。這對(duì)于大功率系統(tǒng)非常重要，在這些系統(tǒng)中散熱設(shè)計(jì)和功率損耗的成本非常高，對(duì)于功率受限的應(yīng)用也非常重要，這些應(yīng)用要求在功率預(yù)算內(nèi)盡可能提高工作功率。集成了 MOSFET 的 PSE 和 PD 控制器具有較高的 RDS(ON) 參數(shù)，由于在器件內(nèi)部散熱，因此，很難進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。對(duì)一個(gè)端口的損害會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片受損。

LT4275 (圖 3) 是市場(chǎng)上唯一能夠控制外部 MOSFET 的 PD 控制器，極大的降低了 PD 總熱耗，提高了功效，這對(duì)于較大功率應(yīng)用非常重要。這一創(chuàng)新的方法支持用戶調(diào)整 MOSFET 以滿足應(yīng)用的散熱和效率要求，支持使用 30m 量級(jí)的低 RDS(ON) MOSFET。LT4275 能夠支持高達(dá) 90W 的功率。