輕松從PoE過(guò)渡至PoE+的設(shè)計(jì)方案

2003年，針對(duì)()的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)為以太網(wǎng)開(kāi)辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，即通過(guò)以太網(wǎng)同時(shí)傳輸DC功率和10/100/1000Mbps數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了12.95W的標(biāo)稱傳輸功率，對(duì)于早期接受這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用(包括標(biāo)準(zhǔn)電話、安全攝像機(jī)和無(wú)線接入點(diǎn))來(lái)說(shuō)，該功率綽綽有余。自此之后，基礎(chǔ)設(shè)施在業(yè)界變得十分普遍。與此同時(shí)，人們對(duì)于附加功能和較高功率的需求也有了顯著的增長(zhǎng)。固定安全攝像機(jī)逐漸獲得了全動(dòng)感視頻，無(wú)線接入點(diǎn)能夠在更遠(yuǎn)的距離上提供更高的信號(hào)強(qiáng)度，而VoIP電話則可提供視頻和外設(shè)支持。為對(duì)功能的增加提供支持，這些受電設(shè)備()需要從(供電設(shè)備)獲取超過(guò)最初PoE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的功率。人們開(kāi)始考慮制定基于IEEE802.3af規(guī)范的IEEE802.3at(亦稱PoE+)標(biāo)準(zhǔn)，旨在適應(yīng)新的高功率應(yīng)用需求。

PoE+滿足高功率需求

需要進(jìn)行謹(jǐn)慎工程設(shè)計(jì)的領(lǐng)域之一是將被用來(lái)實(shí)現(xiàn)PSE和PD相互識(shí)別的新型分級(jí)機(jī)理。實(shí)現(xiàn)這種相互識(shí)別需具備以下能力：PSE可以正確地為802.3af(也稱作Type 1硬件)和802.3at(Type 2硬件)PD供電；可以由802.3at PSE來(lái)為802.3af PD供電；802.3at PD可以知曉它們是否具有其較高負(fù)載所需要的完整可用功率。每種組合都需要擁有一種明確定義和一致的工作特性，以保持802.3標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部的互操作性。借助一種更加精細(xì)的硬件分級(jí)機(jī)理和一種新型數(shù)據(jù)層機(jī)理，這種相互識(shí)別能力在PoE+中得以實(shí)現(xiàn)。

PoE+增添了一種被稱為“兩事件分級(jí)”的新型硬件分級(jí)，并要求PSE必需重復(fù)進(jìn)行兩次802.3af電壓探測(cè)。PD的每次電壓探測(cè)都將導(dǎo)致吸收單個(gè)電流脈沖(圖1)，這對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的功率級(jí)。作為開(kāi)始，PSE將在數(shù)據(jù)或備用線對(duì)上確定一個(gè)約15.5V至20.5V的電壓脈沖。PD以一個(gè)高達(dá)40mA的電流做出響應(yīng)，該電流把4種功率等級(jí)之一傳送至PSE。雙脈沖是一個(gè)發(fā)送至PD的指示信號(hào)，表明連接的PSE確實(shí)是一個(gè)高功率PSE，能夠提供與802.3at功率相關(guān)聯(lián)的較高功率級(jí)。802.3at PD以一個(gè)Class 4電流做出響應(yīng)，由此向PSE傳遞這樣的信息：自己是一個(gè)需要完整可用功率的高功率PD。802.3af中的Layer 1分級(jí)方法提供了一種可任選的方法，供PSE向PD發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)以確定PD的功率需求。然而，在802.3at規(guī)范中，目前指令要求Type 2 PSE至少應(yīng)執(zhí)行單事件硬件分級(jí)。

除了硬件分級(jí)的升級(jí)之外，PoE+特別工作組還定義了一種被稱為鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)的新型數(shù)據(jù)層(Layer 2)分級(jí)，用于實(shí)現(xiàn)PSE和PD之間的通信。一旦建立了一條鏈路，PSE和PD便能夠采用LLDP來(lái)確定PD的功率需求。LLDP的運(yùn)用使得PSE能夠反復(fù)詢問(wèn)PD并確定PD的狀態(tài)及其功率需求。利用該機(jī)理，如今可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率分配，此時(shí)，PSE能夠連續(xù)地分配功率至PD(以0.1W為增量)，而且PD可以提出請(qǐng)求，并隨后交出功率。通過(guò)Layer 2進(jìn)行的通信實(shí)現(xiàn)了用于獲得諸如峰值功率、平均功率和占空比等更多信息的高級(jí)功能。隨著系統(tǒng)朝著更“綠色”電源環(huán)境的方向發(fā)展，這種動(dòng)態(tài)功率分配肯定將成為一個(gè)重要的特點(diǎn)。LLDP是一種用于PSE的任選分級(jí)機(jī)理，但必需由PD來(lái)執(zhí)行。如果PSE僅執(zhí)行單事件分級(jí)，則PD可以通過(guò)LLDP協(xié)議來(lái)協(xié)商獲取較高的功率。圖1給出了PoE+采用的這兩種分級(jí)方法。

有兩類PSE，即“中跨”和“端跨”。顧名思義，被稱為“功率注入器”的中跨控制器負(fù)責(zé)將功率注入現(xiàn)有的以太網(wǎng)電纜，并被放置于LAN交換器和受電設(shè)備之間。數(shù)據(jù)不經(jīng)修改地通過(guò)一個(gè)中跨PSE進(jìn)行傳送。由于無(wú)需更換交換器，因此這些控制器尤其便于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的PoE安裝。另一方面，端跨設(shè)備則是一種具內(nèi)置PoE能力的交換器(因而無(wú)需中跨)。當(dāng)從頭開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用端跨PSE。由于中跨僅可以使用電源層，因此它們運(yùn)用PoE+中的新型兩事件分級(jí)來(lái)表達(dá)高功率能力。LLDP使用數(shù)據(jù)層，因此端跨控制器可以選擇運(yùn)用這種附加分級(jí)法來(lái)與PD協(xié)商功率。

對(duì)于PoE系統(tǒng)而言，有兩個(gè)截然不同用于定義功率的位置，即：PSE輸出連接器和PD輸入連接器。PoE+規(guī)范中更加重要的改進(jìn)之一是將電流的上限值規(guī)定為600mA。現(xiàn)在，PSE必須要能夠連續(xù)提供至少600mA的電流和一個(gè)50V的最小輸出電壓。這轉(zhuǎn)化為一個(gè)30W的PSE輸出功率。電纜電阻的模型化設(shè)計(jì)值不大于12.5Ω，因而在PD連接器上產(chǎn)生了25.5W的可用功率。有必要把48V轉(zhuǎn)換效率考慮在內(nèi)，這樣最終傳輸至PD負(fù)載的可用功率約為24.6W。

對(duì)于較高功率的需求當(dāng)然是由市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的，而且目前對(duì)可提供超出現(xiàn)行12.95W限值的功率的PD電源解決方案的需求已經(jīng)很強(qiáng)烈?，F(xiàn)在許多高耗能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都提出了更高的功率要求。那么，電路設(shè)計(jì)師如何應(yīng)對(duì)他所面臨的高功率需求呢？解決方案是：采用由凌力爾特(Linear)公司提供的并符合新型PoE+標(biāo)準(zhǔn)的PSE和PD產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些產(chǎn)品滿足新標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的功率限值，而且還可為專有應(yīng)用提供更高的功率。

PoE+ PSE設(shè)計(jì)方案

目前所面臨的挑戰(zhàn)是PSE制造商必需將高功率PoE+端口迅速投入實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)PoE+標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)有PSE設(shè)計(jì)的升級(jí)需要滿足以下要求：能夠在不增加誤碼率的情況下接受更多偏置電流的改進(jìn)型以太網(wǎng)磁性元件；具較高截止電流門限的新型PSE控制器芯片；視所采用的控制器芯片的不同，有可能需要使用具較大安全工作區(qū)(SOA)的較大MOSFET；較大的主電源；可能需要對(duì)各種各樣的元件(例如連接器、熔斷器、共模扼流圈、瞬態(tài)電壓抑制器二極管、電流檢測(cè)電阻器和EMI濾波器)進(jìn)行升級(jí)以提供較高的電流。

所有這些元件在市面上均有供貨，而且802.3at磁性元件和芯片常?？梢院?jiǎn)單地直接替代其802.3af同類產(chǎn)品。盡管在將PSE從802.3af過(guò)渡至802.3at時(shí)需要進(jìn)行很多設(shè)計(jì)變更，但我們將重點(diǎn)關(guān)注有助于這種過(guò)渡的關(guān)鍵元件——PoE+ PSE控制器。

凌力爾特的LTC4266(見(jiàn)圖2)是市面上首個(gè)完全符合802.3at標(biāo)準(zhǔn)的四通道PSE控制器，而且向后兼容至廣受歡迎的802.3af器件LTC4259A。LTC4266不僅為PD提供了新標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求的功率級(jí)，而且還向后兼容最初的PoE標(biāo)準(zhǔn)，因而使得用戶能夠混合并匹配多達(dá)4個(gè)PoE和PoE+ PD。如前文所述，為符合802.3at標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)PSE必須要能夠在PSE連接器的輸出端上提供30W功率，這樣在補(bǔ)償了電纜損耗之后可向PD輸送25.5W功率。LTC4266可提供30W功率，但它是在大幅度降低熱耗散的情況下做到這一點(diǎn)的。

在設(shè)計(jì)下一代PSE時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)能夠提供較高功率級(jí)、執(zhí)行新的分級(jí)機(jī)理、提供一個(gè)能夠高效輸送功率的可靠PoE系統(tǒng)的PSE控制器。LTC4266具有極低的熱耗散，因而與那些集成了不太魯棒、且RDS(ON)通常較高的MOSFET的PSE控制器相比，其應(yīng)用方案的熱設(shè)計(jì)得到了顯著簡(jiǎn)化。LTC4266支持外部MOSFET，而且如果某個(gè)端口由于MOSFET失效發(fā)生故障，這種失效也不會(huì)產(chǎn)生“骨牌”效應(yīng)而導(dǎo)致相鄰?fù)ǖ朗艿綘窟B。而這一點(diǎn)恰好是采用內(nèi)部MOSFET時(shí)所擔(dān)心的。LTC4266的準(zhǔn)確度允許采用低價(jià)值的檢測(cè)電阻器。更重要的是，在管理線路電流和電壓時(shí)還可采用低RDS(ON) MOSFET。由于阻值可以低至0.25Ω(對(duì)于檢測(cè)電阻器)和0.09Ω(對(duì)于MOSFET)，因而它的最大總通道電阻僅為其他PSE控制器的一半。這樣，熱耗散的顯著降低，使得設(shè)計(jì)師能在未使用散熱器的情況下輕松、可靠地使用LTC4266。

采用凌力爾特完全符合IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)的四通道PSE控制器的供電設(shè)備已經(jīng)投入使用?？稍诿總€(gè)端口上提供30W功率的中跨和端跨設(shè)備目前已有現(xiàn)貨供應(yīng)。對(duì)于那些不愿意勞心費(fèi)力地從零開(kāi)始設(shè)計(jì)的PSE設(shè)計(jì)師而言，由諸多供應(yīng)商(包括Molex、Tyco和Belfuse公司)提供的新型PoETec PSE ICM (集成化連接器模塊)是一種理想的8端口和12端口替代解決方案(采用了LTC4266PSE控制器)。

PoE+ PD設(shè)計(jì)方案

PD側(cè)的802.3af至802.3at的過(guò)渡會(huì)稍簡(jiǎn)單一些，或者至少設(shè)計(jì)師所需考慮變更的元件較少，這是因?yàn)榭赡苄枰?jí)的僅有橋式整流元件、PD控制器、DC/DC控制器和變壓器，就基本可以滿足這PD負(fù)載的功率要求。相比于PSE，熱耗散在PD中并不是大問(wèn)題，但仍需要優(yōu)先考慮功率效率。設(shè)計(jì)師還必須決定一個(gè)PD是否將能夠支持來(lái)自墻上適配器的輔助電源，或是否需要對(duì)PD負(fù)載進(jìn)行隔離。與PSE升級(jí)至PoE+時(shí)相似，PD設(shè)計(jì)是否成功在很大程度上取決于PoE+ PD控制器。

為最大限度地提升PD的效率，必須做出某些關(guān)鍵決定。對(duì)于隔離型設(shè)計(jì)，最好避免使用轉(zhuǎn)換器反饋環(huán)路中常用的光耦合器。不過(guò)，最重要的決定或許是選擇一個(gè)可實(shí)現(xiàn)這些高效率方法的靈活PD控制器。作為一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，凌力爾特的LTC4269為隔離型設(shè)計(jì)提供的效率水平達(dá)到了令人難忘的94%。

LTC4269是一款完全符合IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)的PD控制器，而且是LTC4266的配套器件(見(jiàn)圖2)。LTC4269是一款具有一個(gè)集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的全功能PD控制器，并具有低至16V的輔助電源支持能力。盡管802.3at標(biāo)準(zhǔn)將PD功率的上限值規(guī)定為25.5W，但LTC4269并未設(shè)定電流限值，且能方便地提供30W以上的功率，從而造就了專有的功率級(jí)，并為實(shí)現(xiàn)超出PoE+標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍以外的PD功能開(kāi)辟了道路。LTC4269的可靠性通過(guò)集成一個(gè)魯棒型100V熱插拔(Hot Swap)MOSFET得到了增強(qiáng)。該MOSFET負(fù)責(zé)在檢測(cè)和分級(jí)期間對(duì)PD控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行隔離，并提供100mA的浪涌電流，以便在采用任何PSE的情況下實(shí)現(xiàn)平滑的上電變換。

為優(yōu)化PD設(shè)計(jì)，LTC4269提供了兩種版本。這兩種版本之間的差異在于所使用的特殊開(kāi)關(guān)電源。LTC4269-1集成了一個(gè)同步反激式控制器，而LTC4269-2則集成了一個(gè)同步正激式控制器。反激式轉(zhuǎn)換器提供了一種低元件數(shù)目設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)簡(jiǎn)單地增加繞組來(lái)獲得額外的輸出，而正激式控制器則可在較高的負(fù)載電流條件下提供略優(yōu)于反激式控制器的效率。在這兩種場(chǎng)合中，同步整流均提供較高的輸出功率、提升的轉(zhuǎn)換效率和改善的交叉調(diào)節(jié)性能(在具有多個(gè)輸出的應(yīng)用中)等好處。此外，在低噪聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還可以使控制器同步至一個(gè)外部振蕩器。

還有一點(diǎn)值得注意的是，LTC4269-1采用了凌力爾特公司的專利No-Opto(無(wú)光隔離器)反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以在無(wú)需增設(shè)光隔離器電路的情況下提供完整的IEEE802.3隔離(見(jiàn)圖3)。這消除了執(zhí)行光耦合器反饋的缺點(diǎn)，包括由于光耦合器容差所導(dǎo)致的易變環(huán)路增益、高溫敏感性和較高的成本。反饋環(huán)路中使用的傳統(tǒng)光耦合器和并聯(lián)穩(wěn)壓器被現(xiàn)有變壓器上的一個(gè)附加繞組所取代，旨在改善穩(wěn)壓性能和效率并簡(jiǎn)化電路。

本文小結(jié)

PoE+標(biāo)準(zhǔn)為業(yè)已確立的PoE網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了更高功率和更好的分級(jí)方法。為與PoE+標(biāo)準(zhǔn)相符，一個(gè)PSE必須為數(shù)據(jù)或備用線對(duì)提供30W功率，而一個(gè)PD在RJ45連接器輸入端上所吸取的功率一定不得超過(guò)25.5W。符合PoE+標(biāo)準(zhǔn)的PSE必須能夠執(zhí)行單事件硬件分級(jí)，而新型兩事件分級(jí)和LLDP數(shù)據(jù)層分級(jí)則是可任選的高功率分級(jí)機(jī)理。在受電設(shè)備側(cè)，PD必須要能夠?qū)墒录旨?jí)(由PD控制器)和LLDP(由PD微處理器)做出響應(yīng)。PoE+兼容型設(shè)計(jì)方案已經(jīng)投入使用。

凌力爾特的LTC4266和LTC4269是率先面市的新型PoE+設(shè)計(jì)，它們的推出使得PSE和PD制造商能生產(chǎn)出下一代設(shè)備。凌力爾特積極參與IEEE802.3at特別工作組的相關(guān)工作，并正在開(kāi)發(fā)更多符合IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。表1完整地列出了凌力爾特發(fā)布的PoE+器件。這些新產(chǎn)品將為凌力爾特現(xiàn)有的PD產(chǎn)品提供一條引腳兼容型升級(jí)途徑，旨在實(shí)現(xiàn)至PoE+新標(biāo)準(zhǔn)的平穩(wěn)過(guò)渡。凌力爾特的產(chǎn)品將繼續(xù)提供堅(jiān)固型設(shè)計(jì)和經(jīng)過(guò)實(shí)地應(yīng)用驗(yàn)證的可靠性，并得到豐富技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的有力支持，而這是通過(guò)多年設(shè)計(jì)面向眾多應(yīng)用的PoE產(chǎn)品積累起來(lái)的。