面向以太網電源的高功率設計分析

針對以太網電源(PoE)的IEEE802.3af標準規(guī)定將直流電源與10/100/1000Mbps數據一起傳輸，從而為以太網帶來了新的面貌。其中，PoE帶來了一系列獨特的問題，對于許多具備設計以太網設備經驗的工程師來說，他們并不熟悉針對這些問題的新的思維方式。PoE現在常用于VoIP 電話、無線接入點和安全攝像機。隨著PoE的發(fā)展，有必要增強對該標準的了解以使新的應用成為可能。

通過回顧標準可見，PoE鏈接容許受電設備(PD)從供電設備(PSE)吸取最多12.95W的功率。PoE鏈接或端口受到PSE的控制，PSE通過在上電前的檢測和分類，可以識別 PD并監(jiān)測該端口(ICUT、ILIM和斷開)。PSE承擔了大部分PoE的負擔，它必須檢測PoE并無縫地斷開電源，以避免損壞原有的設備。如果PSE 不能充分地執(zhí)行分類、供電和監(jiān)測等功能，那么，就可能出現間歇性故障并造成供電不穩(wěn)定。PSE不能控制一切；當它提供電源的時候，它相信PD是符合標準的，并以無振蕩的方式打開電源，從而避免吸取比要求更多的功率。因為兩類設備都必須協(xié)作，所以，PD和PSE設計工程師要從兩設備的觀點出發(fā)考慮設計問題。

新興應用需要更大的功率

13W對于基本功能IP電話是足夠的，但是，對于電動攝像機、多點無線接入和大屏幕彩色顯示器等應用，功率卻嚴重不足。IEEE目前正在制訂更大功率的標準，稱為PoE+(官方稱為IEEE802.3at)將與目前可用的 802.3af設備共存。由新標準定義的最終功率級別還沒有確定，但是，到目前為止，很可能我們將看到30W的兩對供電系統(tǒng)和60W的4對供電系統(tǒng)。 IEEE802.3at委員會已經下達了令人畏縮的任務，要定義一種安全、更大功率、后向兼容并與現已部署的802.3af設備互通的全球標準。因為編寫這種規(guī)范的復雜性很高，我們預期從現在開始算起，一到兩年內不可能看到最終規(guī)范。

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

實現準標準大功率PSE

在過渡時期，有些應用需要大功率，等待新標準的到來顯然是不現實的。為此，有幾種解決方案。下列是構建在符合基本802.3af標準之上的電路(翻譯注釋： complaint應該是compliant)，圖1a所示PSE電路采用LTC4258，圖1b所示PD電路采用LTC4257。如果該應用需要斷開交流，在PSE電路中可以用LTC4259取代；如果應用要集成開關調整器，在PD電路中可以采用LTC4267取代。


圖1a：采用LTC4258實現的符合基本802.3af標準的PSE電路。




圖1b：采用LTC4257實現的符合基本802.3af標準的PD電路。

大功率工作

下列電路例子展示了實現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。

兩對大電流方案

通過簡單地改變傳感器電阻的數值(圖1a中的RS1到RS4)，就可以增加PSE的功率級別。RSn被設為0.5Ω，符合802.3af標準的規(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)。當采用短電纜時，這就可以把PD功率增加一倍；如果電纜較長，其損耗就會增加，從而把傳遞給PD的功率限制為小于原來的兩倍。


圖2a：雙電流大功率、符合802.3af標準的PSE。

注意，LTC4258也采用傳感器電阻來檢測直流的斷路。把該電阻的數值減少到0.25Ω，直流斷路門限就可以增加一倍，技術上就不符合標準的要求。其它 802.3af參數就不受影響：檢測和分類仍然符合標準的要求；而交流斷路門限(僅僅對LTC4259)不受傳感器電阻變化的影響。因為所提高的直流門限存在斷開非常低功率的802.3afPD的風險，盡管這種風險比較??；對于具備802.3afPD的互通性，推薦采用交流斷路。

要改變每個通道的其它兩個元件，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。在這種應用中，采用D2PAK封裝的IRF530類器件就足夠了。此外，也要指定PoE數據磁性模塊以承載更高的電流。幾家磁性元件供應商最近推出了具有足夠電流能力的器件。

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

當Q4B關閉的時候，端口工作在符合802.3af標準的模式。打開Q4B開關，端口就工作在大電流模式。這種切換可以在任何時間進行：在檢測/分類之前；在檢測/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，因為僅僅Q4的漏極具有高端口電壓。Q4B要選擇導通電阻非常低的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PD的改變稍微復雜一些(圖2b)，因為內部的MOSFET被預先配置為工作在375mA限制電流。然而，添加受PWRGD引腳控制的外部無源器件，就容許工作在大電流模式；與此同時，維持完整的802.3af檢測和分類特征，且限制瞬間峰值電流。


圖2b：兩對大功率PD。

四對小電流方案

為了增加傳遞到PD的功率，另外一種技術是在CAT-5電纜中為所有四對線供電。圖4a所示為四對PSE電路，其中每一對都具有標準的802.3af電源。對傳感器電阻的數值不需要作出變更。


圖3a：四對802.3af電源。

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


圖3b：四對小電流PD。

四對技術(four-pairtechnique)的優(yōu)點是利用了電纜中的所有導線，最大限度地減少了總的電纜阻抗及長電纜所產生的功率損耗。任何利用標準電流的大功率技術也完全接近符合802.3af標準，因為僅僅采用信號對或備用對就能夠符合標準的要求。主要缺點是復雜性高，價格昂貴。PSE的每一個端口需要兩個通道的控制器芯片，將端口密度減少了一半；而PD需要兩個通道和附加的電流平衡電路，以確保從每一對線吸取的電流不超過最大值。此外，如果只有信號對具有連續(xù)性，四對技術就不管用，正如在一些CAT-3建筑安裝中看到的那樣。

因為四對線方案的成本昂貴且復雜性高，在中等功率級別，人們寧愿采用兩對大電流技術。只有當PD功率上升到35W以上，四對系統(tǒng)才最為適用。

四對大電流方案

把大電流電路與四對連接結合起來，可以沿著電纜比其它任何技術傳遞更多的功率。四對大電流容許沿著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，但是，所傳輸的功率卻最大。對于50W以上的功率，長的電纜很快會出現“阻抗匹配”問題，在此，電纜所消耗的功率比傳輸給PD的功率還要大。如果縮短電纜的長度，就可以進一步增加電流，其數值最終受限于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)電路只應該用于由同一供應商指定整個解決方案的系統(tǒng)之中。

分類：何時適用大功率

特別情況下，如果不采用上述電路，一種辦法就是確定何時把大功率施加在線路上。在正常情形下，所有技術都將成功地為符合802.3af標準的PD供電。雙門限電路需要從PD獲取一些信息以了解何時切換門限；而四對方案需要了解何時才適合切換到第二組導線。IEEE802.3at委員會正在努力解決這些問題，但是，還沒有確定最終方案。在過渡時期，需要采用特殊的方案來識別大功率PD。

802.3af定義了不使用的類(第四類)，看起來就像為大功率PD特制的；LTC4258/59PSE芯片和LTC4257/67PD芯片都支持第四類。幸運的是，第四類PD如果插入標準的 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，它就會重復地打開和關閉。第四類可以被用作為連接了大功率PD的“報警”信號，但是，建議在傳輸更大功率之前，先發(fā)出一個附加的握手信號。理想情況下，大功率PD應該從大功率PSE接收某種信號，確認“工作在大功率模式”是可接受的。如果沒有收到握手信號，PD就應該向用戶發(fā)出某種信號，表示它插入了錯誤類型的PSE。