如何設(shè)計(jì)兼容現(xiàn)今產(chǎn)品并著眼未來(lái)的PE受電設(shè)備

1、咱由（產(chǎn)品管理）如何設(shè)計(jì)兼容現(xiàn)今產(chǎn)品并著眼未來(lái)的PE受電設(shè)備20XX年XX月多年的企業(yè)咨詢豉問經(jīng)驗(yàn).經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證可以落地機(jī)行的卓越管理方案，值得您下載擁有如何設(shè)計(jì)兼容現(xiàn)今產(chǎn)品且著眼未來(lái)的PoE受電設(shè)備IEEE802.3af以太網(wǎng)供電(PoE)標(biāo)準(zhǔn)描述了如何通過以太網(wǎng)CAT-5電纜分配最高達(dá)12.95W的功率，以便網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能于沒有AC電源線的情況下工作。IEEE委員會(huì)正于定義壹個(gè)可提供更高功率的類似標(biāo)準(zhǔn)。目前，802.3af功率是由供電設(shè)備(PSE)提供，PSE管理功率分配且區(qū)分需要供電的用電設(shè)備(PD)和不需要供電的純數(shù)據(jù)設(shè)備。由于PSE的檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)上述區(qū)分，所以用戶能夠于其現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上部

2、署PoE,而不會(huì)損壞純數(shù)據(jù)以太網(wǎng)設(shè)備。圖1：圖3所示PD實(shí)例的I-V曲線。陰影區(qū)域顯示IEEE限定的檢測(cè)、分級(jí)和接通范圍以及作者推薦的范圍。因PD能夠放置于沒有AC電源插座的地方，且從集中放置的不間斷供電電源(UPS)獲得功率，因此給終端用戶帶來(lái)了極大益處。PD需要遵循802.3af的以太網(wǎng)供電接口和DC/DC轉(zhuǎn)換器?？墒?，由于集成電路不能克服PoE的所有挑戰(zhàn)：有些問題必須于板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)解決。此外，壹個(gè)解決方案不能適用于所有情況，設(shè)計(jì)師要能夠于保持可互操作的同時(shí)根據(jù)其應(yīng)用的需求定制解決方案。為了幫助設(shè)計(jì)師于滿足應(yīng)用需求的同時(shí)遵循802.3af標(biāo)準(zhǔn)且滿足互操作性要求，本文列出了PD設(shè)計(jì)面臨的多種

3、難題，且用電路實(shí)例來(lái)說(shuō)明可能的解決方案。大多數(shù)針對(duì)PD的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)均能夠用圖1所示的PDI-V曲線來(lái)描述。該曲線分成3個(gè)電壓范圍：2.7V至10.1V是檢測(cè)范圍；14.5V至20.5V是分級(jí)范圍；30V至57V是供電范圍。于這些范圍里，PD的行為是受IEEE標(biāo)準(zhǔn)控制的，不過這些范圍之間的過渡區(qū)域?qū)ゲ僮餍詠?lái)說(shuō)也同樣重要。PSE于檢測(cè)范圍進(jìn)行探查以區(qū)分具有25k?電阻的PD和具有150?共模終端的非受電設(shè)備。于分級(jí)范圍內(nèi)，PD的電流根據(jù)它工作所需功率的大小而不同。當(dāng)輸入或端口電壓超過30V時(shí)，PD開始從電纜獲得功率以使其余電路工作。于大多數(shù)PD中,來(lái)自以太網(wǎng)端口的48V輸入被轉(zhuǎn)換

4、成適用于PD電路的3.3V或2.5V。圖2和圖3顯示的電路實(shí)現(xiàn)PD的全部PoE接口，其中包括DC/DC轉(zhuǎn)換。這樣壹來(lái)，PoE接口就成了壹個(gè)自含式電源，從而容許PD設(shè)計(jì)師把精力集中于使其PD和眾不同的電路和軟件上。和電纜鏈接連接以太網(wǎng)效耨接口T4RJ45連接即T1toov751J0.22F100V-LlOOOpF石2Q0W10QVOEPffi連接T1T2PZcccGQ9Q+圖2:從以太網(wǎng)電纜獲得PoE功率和10/100數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)磁鐵實(shí)例。連線CT1-CT4連接到圖3的輸入端。PD的PoE接口和以太網(wǎng)PHY均必須連接到RJ-45插座上（參見圖2）。75?共模終端電阻是AC耦合的，因此它們不干擾P

5、oE。該終端連接到電纜的共模扼流圈端，這樣扼流圈的電感和高AC阻抗不會(huì)影響該終端的阻抗。這些通路上的配線和電路板走線需要特別注意，它們需要保持低電阻。電路板采用寬走線且緊密放置元器件，以縮短走線長(zhǎng)度。于磁鐵（T1-T6）中，就確保DC電流不使T5或T6飽和以及不堵塞數(shù)據(jù)傳輸而言，控制線電阻尤其重要。自耦變壓器T1和T2必須壹起纏繞，以便中央抽頭和該線對(duì)倆條線之間的電阻相同。即使T1和T2的纏繞十分完美，電纜電阻仍然能夠引起壹些DC差分電壓。通過讓T1或T2的電阻低于扼流圈T3和T4以及數(shù)據(jù)變壓器T5和T6的電阻，磁鐵能吸引所產(chǎn)生的DC電流流經(jīng)T1或T2。圖2說(shuō)明了這壹點(diǎn)，圖中較寬的線代表低電阻

6、連線。把PD連接到備用線對(duì)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@些連線不傳輸數(shù)據(jù)，如圖2所示，無(wú)需磁鐵。（就把數(shù)據(jù)放于備用線對(duì)上的千兆以太網(wǎng)而言，把PD連接到圖2中作為數(shù)據(jù)線對(duì)的那個(gè)相同磁鐵上。）壹旦磁鐵從電纜獲取功率和數(shù)據(jù)，那么無(wú)論是從備用線對(duì)仍是從數(shù)據(jù)線對(duì)上見，PD均是壹樣的。實(shí)際上，就倆種電壓極性和倆個(gè)線對(duì)而言，我們對(duì)PDI-V曲線的要求也是相同的。圖3中D1-D8組成的壹對(duì)二極管電橋把來(lái)自倆個(gè)線對(duì)的信號(hào)組成壹個(gè)單極性輸出，容許壹個(gè)遵循802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD接口（由圖3中的LTC4267控制-LTC4267PoE為壹受電設(shè)備控制器）為倆個(gè)輸入線對(duì)和倆種極性提供服務(wù)。除了二極管電橋，圖2仍有壹個(gè)保護(hù)PD輸入的

7、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），因?yàn)檎疋?、過沖瞬態(tài)和靜態(tài)電流以及地電位差等可能給電纜加上數(shù)百或數(shù)千伏的電壓。由于電纜具有高達(dá)0.05科的電容和低串聯(lián)電感及電阻，所以這些電壓所代表的能量可能相當(dāng)大。瞬態(tài)電壓抑制器能夠吸收大部分能量，可是其余PoE接口必須設(shè)計(jì)成于TVS限制電壓之前，能夠抵擋住比工作電壓范圍高出20V至30V的電壓。圖3：遵循802.3af的PoE接口和DC/DC轉(zhuǎn)換器實(shí)例圖。檢測(cè)于建立PoE連接的過程中，檢測(cè)是第壹步也是最重要的壹步。PD具有25k?共模電阻，而非用電設(shè)備具有150?電阻或開路共模終端。于2.7V和10.1V之間，PD必須具有25±1.25k?檢測(cè)特征電阻。除

8、了圖3中和LTC4267壹起畫出的電阻本身，二極管電橋是PD25k?檢測(cè)特征電阻的最重要部分。這些二極管的正向電壓使特征電阻上的電壓產(chǎn)生了偏移，IEEE標(biāo)準(zhǔn)要求這個(gè)偏移小于1.9V（對(duì)于于-40oC溫度下工作的硅二極管足夠了）。如圖4所示，這些二極管的非線性串聯(lián)電阻影響特征電阻。反向偏置電橋二極管會(huì)有泄漏，倆個(gè)且聯(lián)二極管的泄漏于10.1V反向偏置時(shí)必須低于IEEE規(guī)定的10科Ao如圖4所示，LTC4267通過集成和優(yōu)化特征電阻以補(bǔ)償二極管電橋和它自己的電源電流，極大地減輕了這些問題，減輕了設(shè)計(jì)師的負(fù)擔(dān)。分級(jí)表1：IEEE802.3afPD級(jí)別（注意PD的0級(jí)和4級(jí)沒有列出，也不應(yīng)該采用。）成功

9、檢測(cè)之后，大多數(shù)PSE會(huì)對(duì)PD分級(jí)以確定該用電設(shè)備會(huì)消耗多少功率。分級(jí)提高了PSE的功率管理能力，容許PSE用同樣瓦數(shù)的電源為更多PD供電。例如，9個(gè)消耗功率為5W被定為3級(jí)的PD就最大限度地利用了壹個(gè)150W電源的功率，因?yàn)樵揚(yáng)SE必須向每個(gè)3級(jí)PD分配15.4W功率。如果同樣的PD定為2級(jí)，那么該P(yáng)SE會(huì)向每個(gè)PD分配7W功率，其150W功率能夠給21個(gè)PD供電。用表1能夠?yàn)镻D選擇合適的級(jí)別，選擇最大持續(xù)功率和峰值電流低于PD相應(yīng)參數(shù)的最低級(jí)數(shù)（1、2或3）。分級(jí)是由PSE完成的，它強(qiáng)迫端口電壓進(jìn)入分級(jí)范圍，然后測(cè)量PD電流。于整個(gè)分級(jí)區(qū)域，PD的電流必須符合表1所列的3個(gè)范圍之壹。盡管

10、802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定于檢測(cè)和分級(jí)之間有超過5V的電壓，可是這5V電壓的大部分均被二極管正向電壓（VF）隨溫度的變化給消耗掉。最高溫度時(shí)，二極管的VF大約是0.5V,而最低溫度時(shí)這個(gè)電壓大約為0.9V。注意圖1中典型I-V曲線的斜坡。如果檢測(cè)和分級(jí)之間的過渡處理得不夠平滑，那么可能發(fā)生振蕩，因?yàn)?PD 的分級(jí)電流可能使端口電壓降低到分級(jí)范圍之外。即使有來(lái)自PSE的穩(wěn)定電壓，PD電流的迅速變化加上電纜100m的電感也可能引起振鈴。電壓于20.5V之上時(shí)斷開分級(jí)電流所產(chǎn)生的負(fù)電阻可能引起更嚴(yán)重的振蕩和互用性問題。為了最大限度地提高互用性，PD應(yīng)該盡力實(shí)現(xiàn)平滑單調(diào)的I-V曲線，如圖1所示。加電進(jìn)PD

11、接通且開始從電纜獲得功率，PD設(shè)計(jì)就變得更加復(fù)雜了，因?yàn)镻oE接口、DC/DC轉(zhuǎn)換器和其余的PD電路要壹起配合工作，且保證遵循802.3af標(biāo)準(zhǔn)。LTC4267就有為實(shí)現(xiàn)這種合作所需的倆個(gè)最重要的部分：PoE接口和DC/DC轉(zhuǎn)換器。瑜入電壓圖4:顯示二極管電阻對(duì)PD檢測(cè)特征影響的檢測(cè)I-V曲線。LTC4267壹直等到輸入達(dá)到36V時(shí)才開始獲得功率，且把浪涌電流限制到140mA（參見圖1）。通過等待輸入達(dá)到36V,LTC4267于其接通（36V）和斷開（30V）電壓之間加上了6V的遲滯。如果端口電壓由于LTC4267消耗電流的提高而降低，那么這壹遲滯能防止LTC4267的斷續(xù)振蕩。壹旦PD加電，

12、LTC4267就切換到375mA的限流值，從而容許PD從電纜獲得12.95W的滿功率。具有較高浪涌電流限制的PD將需要壹個(gè)更大的遲滯（802.3af最高容許12V）以防止振蕩。如果PD能于PSE400mA至450mA的電流限制下于50ms內(nèi)加電，那么就不需要自己限流。不需要自己限流或于50ms內(nèi)加電的PD將由其它設(shè)備來(lái)關(guān)斷自己的電源。LTC4267這樣的PD控制器集成電路采用電流限制和稱為“電源良好”的功能來(lái)確保PD順利加電。這種控制器的電源良好輸出于CIN充電到端口電壓之前，保持其余PD電路斷開。如圖3所示，于VPORTN和POUT之間的電壓低于1.5V之前，LTC4267的PWRGD引腳阻

13、止其DC/DC轉(zhuǎn)換器工作。采用電源良好信號(hào)對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)是很重要，因?yàn)樘峁┖愣ㄝ敵龉β实霓D(zhuǎn)換器于其輸入電壓下降時(shí)會(huì)消耗更大的電流。如果轉(zhuǎn)換器于低電壓時(shí)斷開，由于它消耗電流較大，可能降低CIN充電速度甚至阻止其充電。因此，電源良好功能或其它壹些延遲DC/DC轉(zhuǎn)換器接通的方法對(duì)PD成功加電至關(guān)重要。獲得功率50ms啟動(dòng)時(shí)間壹到，PD的CIN就應(yīng)該充電到VPORT（低于二極管電橋VF的2倍），而且PD的功耗必須低于它所于級(jí)別的最高功耗（參見表1）。PD仍必須用保持功率特征（MPS）信號(hào)表明其繼續(xù)存于。如果沒有MPS信號(hào)，那么PSE會(huì)關(guān)斷電源，防止帶電電纜插入不接受功率的以太網(wǎng)設(shè)備。MPS具體

14、體現(xiàn)為壹個(gè)10mA或更高的DC電流和壹個(gè)低于26.35k?、和超過0.05科電容且聯(lián)的阻抗。極少有PD需要特殊電路提供MPS。于大多數(shù)情況下，PD正常工作所用的CIN、DC/DC轉(zhuǎn)換器阻抗和電流能滿足802.3afMPS的需求。遵循能源之星規(guī)定的PD以及其它功率很低的PD（如恒溫器等功耗可能于應(yīng)用中引起問題的PD）容許給出超過10mA的MPS電流脈沖達(dá)75ms，而脈沖間隔可高至250ms，這樣可把功率降低到大約100mW。和MPS壹樣，于大多數(shù)情況下，保持于分級(jí)限制內(nèi)是由PD的DC/DC轉(zhuǎn)換器和從該轉(zhuǎn)換器獲得功率的電路來(lái)處理的。設(shè)計(jì)師必須確保PD電路消耗的功率永遠(yuǎn)低于表1中相應(yīng)級(jí)別的功率。負(fù)載

15、電路不可能消耗12.95W，因?yàn)镻oE接口(大多數(shù)是于二極管電橋)和DC/DC轉(zhuǎn)換器損耗了功率。采用低泄漏肖特基二極管能夠降低二極管電橋的損耗。圖3中，LTC4267的PoE接口消耗的功率低于180mW，VPORTN和POUT之間的1.6?RONMOSFET損耗200mW功率，剩下12.07W=12.95W-0.50W-0.18W-0.20W。這12W中有多少提供給PD電路仍要取決于DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率。隔離圖3中于DC/DC轉(zhuǎn)換器有關(guān)的最重要方面是輸入和輸出之間的隔離。大多數(shù)PD需要隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)?02.3af標(biāo)準(zhǔn)要求以太網(wǎng)插座引腳和PD之外的其它任何導(dǎo)電部分隔離。隔離的DC

16、/DC轉(zhuǎn)換器滿足這壹隔離要求，其余PD電路能夠設(shè)計(jì)成沒有附加隔離措施。綢繆未來(lái)幾乎是802.3af以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)剛壹發(fā)布，用戶就開始要求更高功率了。13瓦對(duì)于基本IP電話來(lái)說(shuō)足夠了，可是就機(jī)動(dòng)化相機(jī)、多重?zé)o線接入點(diǎn)和具有大型彩色顯示屏的產(chǎn)品而言，13瓦功率讓它們受到了嚴(yán)重限制。為此，IEEE已經(jīng)新成立了壹個(gè)名為PoE+的研究小組，該小組將制訂新標(biāo)準(zhǔn)，容許更高功率的設(shè)備和今天提供的802.3af設(shè)備共存。盡管普通CAT5電纜包括4個(gè)雙絞線對(duì)，可是802.3af標(biāo)準(zhǔn)于任何時(shí)候均只允許倆個(gè)線對(duì)攜帶電流。壹個(gè)可選方案是允許額外電流流過第三和第四線對(duì)，從而使可用功率翻倍。第二個(gè)可選方案是提高電流限度，容

17、許于倆個(gè)線對(duì)上傳送更高的功率。當(dāng)下這倆種方法每種均于專用PoE系統(tǒng)中出現(xiàn)了?？墒?，每種方法均有自己的缺點(diǎn)，因此難于于它們之間做出選擇。利用所有4個(gè)線對(duì)有可能給受電設(shè)備(PD)提供最高功率，因?yàn)檫@種方法利用了電纜中的所有傳導(dǎo)能力，最大限度地降低了端到端電阻和電阻帶來(lái)的功率損耗?？墒?，給所有4個(gè)線對(duì)供電差不多使端口控制器電路的成本翻了壹番，因?yàn)?線對(duì)PSE必須為每套線對(duì)提供檢測(cè)和故障控制。而4線對(duì)PD必須限制從每個(gè)線對(duì)獲得的電流，而且即使輸入線對(duì)之間的電壓相差非常大時(shí)，也必須保持電流平衡。倆線對(duì)方法避免了成本和電流平衡問題，只需要對(duì)今天802.3af設(shè)計(jì)中已經(jīng)就緒的電路做很少的修改。倆線對(duì)設(shè)計(jì)的問題是電纜延長(zhǎng)時(shí)的功率損耗，因?yàn)楹?線對(duì)方法相比，只有壹半連線攜帶電流。損耗的功率引起電纜發(fā)熱，給連接器插針和接插板走線增加了負(fù)擔(dān)。功率超過30W以后，這些因素可能影響更大。由于插拔過程產(chǎn)生寄生電感，所以更大的電流仍會(huì)增加產(chǎn)生振鈴的機(jī)會(huì)，增大PD或PSE電路損壞的風(fēng)險(xiǎn)。任何大功率方案均必須保持和8