面向以太网电源的高功率设计分析

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面向以太网电源的高功率设计分析

针对以太网电源(PoE)的IEEE 802.3af标准规定将直流电源与10/100/1000 Mbps数据一起传输，从而为以太网带来了新的面貌。其中，PoE带来了一系列独特的问题，对于许多具备设计以太网设备经验的工程师来说，他们并不熟悉针对这些问题的新的思维方式。PoE现在常用于VoIP 电话、无线接入点和安全摄像机。随着PoE的发展，有必要增强对该标准的了解以使新的应用成为可能。  

    通过回顾标准可见，PoE链接容许受电设备(PD)从供电设备(PSE)吸取最多12.95W的功率。PoE链接或端口受到PSE的控制，PSE通过在上电前的检测和分类，可以识别 PD并监测该端口(ICUT、ILIM和断开)。PSE承担了大部分PoE的负担，它必须检测PoE并无缝地断开电源，以避免损坏原有的设备。如果PSE 不能充分地执行分类、供电和监测等功能，那么，就可能出现间歇性故障并造成供电不稳定。PSE不能控制一切；当它提供电源的时候，它相信PD是符合标准的，并以无振荡的方式打开电源，从而避免吸取比要求更多的功率。因为两类设备都必须协作，所以，PD和PSE设计工程师要从两设备的观点出发考虑设计问题。  

新兴应用需要更大的功率  

    13W对于基本功能IP电话是足够的，但是，对于电动摄像机、多点无线接入和大屏幕彩色显示器等应用，功率却严重不足。IEEE目前正在制订更大功率的标准，称为PoE+(官方称为IEEE 802.3at)将与目前可用的 802.3af设备共存。由新标准定义的最终功率级别还没有确定，但是，到目前为止，很可能我们将看到30W的两对供电系统和60W的4对供电系统。 IEEE 802.3at委员会已经下达了令人畏缩的任务，要定义一种安全、更大功率、后向兼容并与现已部署的802.3af设备互通的全球标准。因为编写这种规范的复杂性很高，我们预期从现在开始算起，一到两年内不可能看到最终规范。  

    虽然典型的CAT 5电缆有四对双绞线，但是， 802.3af标准仅仅容许其中两对线在给定时间内传送电流。一种选择是容许第三和第四对线传送额外的电流，从而使可用功率翻一番。第二种选择是提大电流的限制，容许相同的线对传送更大的功率。这些技术都已经出现在专用的PoE系统之中。然而，每一种方法都有缺点，使在它们之间作出选择更为复杂。  

实现准标准大功率PSE  

    在过渡时期，有些应用需要大功率，等待新标准的到来显然是不现实的。为此，有几种解决方案。下列是构建在符合基本802.3af标准之上的电路(翻译注释： complaint应该是compliant)，图1a所示PSE电路采用LTC4258，图1b所示PD电路采用LTC4257。如果该应用需要断开交流，在PSE电路中可以用LTC4259取代；如果应用要集成开关调整器，在PD电路中可以采用LTC4267取代。  

  
图1a：采用LTC4258实现的符合基本802.3af标准的PSE电路。
  


  
图1b：采用LTC4257实现的符合基本802.3af标准的PD电路。
  
大功率工作  

    下列电路例子展示了实现大功率工作的几种办法。注意：在下面的一些PSE电路中，通道4被用于描述电路的变化，但是，也可以采用任何其它通道。  

两对大电流方案  

    通过简单地改变传感器电阻的数值(图1a中的RS1到RS4)，就可以增加PSE的功率级别。RSn被设为0.5Ω，符合802.3af标准的规定 (375mA ICUT, 425mA ILIM)。例如，将RSn减小到0.25Ω，就可以把电流限制增加一倍(750mA ICUT,  850mA ILIM)。当采用短电缆时，这就可以把PD功率增加一倍；如果电缆较长，其损耗就会增加，从而把传递给PD的功率限制为小于原来的两倍。   

  
图2a：双电流大功率、符合802.3af标准的PSE。
  
    注意，LTC4258也采用传感器电阻来检测直流的断路。把该电阻的数值减少到0.25Ω，直流断路门限就可以增加一倍，技术上就不符合标准的要求。其它 802.3af参数就不受影响：检测和分类仍然符合标准的要求；而交流断路门限(仅仅对LTC4259)不受传感器电阻变化的影响。因为所提高的直流门限存在断开非常低功率的802.3af PD的风险，尽管这种风险比较小；对于具备802.3af PD的互通性，推荐采用交流断路。  

    要改变每个通道的其它两个元件，以处理额外的电流。典型情况下，MOSFET Q4要用较大的器件取代，以在电流限制期间承受更大的功率。在这种应用中，采用D2PAK封装的IRF530类器件就足够了。此外，也要指定PoE数据磁性模块以承载更高的电流。几家磁性元件供应商最近推出了具有足够电流能力的器件。  

    通过增加两个新元件，我们可以在符合802.3af的工作和大功率条件两者之间进行切换。在这种情形下，RS4要设置为原始的 0.5Ω数值，并要选择RS4B，以便RS4 II RS4B提供期望的更大电流。把RS4B设置为0.5Ω(与RS4的数值相同)，就可以把大功率模式设置为802.3af的功率电平的两倍。  

    当Q4B关闭的时候，端口工作在符合802.3af标准的模式。打开Q4B开关，端口就工作在大电流模式。这种切换可以在任何时间进行：在检测/分类之前；在检测/分类之后，但是要在端口上电之前；或在供电之后。注意，Q4B可以采用低压 MOSFET，因为仅仅Q4的漏极具有高端口电压。Q4B要选择导通电阻非常低的MOSFET，以防止在更大电流限制中精度不够。例如， IRLML2502就是采用SOT-23封装的一种合适的器件。  

    对PD的改变稍微复杂一些(图2b)，因为内部的MOSFET被预先配置为工作在375mA限制电流。然而，添加受PWRGD引脚控制的外部无源器件，就容许工作在大电流模式；与此同时，维持完整的802.3af检测和分类特征，且限制瞬间峰值电流。  

  
图2b：两对大功率PD。
  
四对小电流方案  

    为了增加传递到PD的功率，另外一种技术是在CAT-5电缆中为所有四对线供电。图4a所示为四对PSE电路，其中每一对都具有标准的802.3af电源。对传感器电阻的数值不需要作出变更。  

  
图3a：四对802.3af电源。
  
    四对PD电路是最大的变化(图4b)。现在需要采用两个LTC4257器件，电源电路必须具备足够的智能，以便把从每一个通道吸取的电流限制在 802.3af规范容许的范围之内。要做到这一点，就要平衡从每一对线吸取的电流或平衡从每一对线吸取的功率，直到它接近(但是不超过)ICUT极限，然后，才从其它线对吸取电流。这种电路可能相当复杂，不同的设计之间差异也很大。  

  
图3b：四对小电流PD。
  
    四对技术(four-pair technique)的优点是利用了电缆中的所有导线，最大限度地减少了总的电缆阻抗及长电缆所产生的功率损耗。任何利用标准电流的大功率技术也完全接近符合802.3af标准，因为仅仅采用信号对或备用对就能够符合标准的要求。主要缺点是复杂性高，价格昂贵。PSE的每一个端口需要两个通道的控制器芯片，将端口密度减少了一半；而PD需要两个通道和附加的电流平衡电路，以确保从每一对线吸取的电流不超过最大值。此外，如果只有信号对具有连续性，四对技术就不管用，正如在一些CAT-3建筑安装中看到的那样。  

    因为四对线方案的成本昂贵且复杂性高，在中等功率级别，人们宁愿采用两对大电流技术。只有当PD功率上升到35W以上，四对系统才最为适用。  

四对大电流方案  

    把大电流电路与四对连接结合起来，可以沿着电缆比其它任何技术传递更多的功率。四对大电流容许沿着100米的CAT-5电缆向PD传递50W的功率，如果电缆长度缩短的话，所传递的功率要更大。尽管这种方案存在所有以前方案的缺点，但是，所传输的功率却最大。对于50W以上的功率，长的电缆很快会出现“阻抗匹配”问题，在此，电缆所消耗的功率比传输给PD的功率还要大。如果缩短电缆的长度，就可以进一步增加电流，其数值最终受限于RJ45连接器、磁性元件的偏置电流和CAT-5电缆中温度上升的程度。极大功率(>50W)电路只应该用于由同一供应商指定整个解决方案的系统之中。  

分类：何时适用大功率  

    特别情况下，如果不采用上述电路，一种办法就是确定何时把大功率施加在线路上。在正常情形下，所有技术都将成功地为符合802.3af标准的PD供电。双门限电路需要从PD获取一些信息以了解何时切换门限；而四对方案需要了解何时才适合切换到第二组导线。IEEE 802.3at委员会正在努力解决这些问题，但是，还没有确定最终方案。在过渡时期，需要采用特殊的方案来识别大功率PD。  

    802.3af定义了不使用的类(第四类)，看起来就像为大功率PD特制的；LTC4258/59 PSE芯片和LTC4257/67 PD芯片都支持第四类。幸运的是，第四类PD如果插入标准的 802.3af PSE之中的话，它就可以采用第三类限制电流供电；而如果它试图吸取更大的功率，它就会重复地打开和关闭。第四类可以被用作为连接了大功率PD的“报警”信号，但是，建议在传输更大功率之前，先发出一个附加的握手信号。理想情况下，大功率PD应该从大功率PSE接收某种信号，确认“工作在大功率模式”是可接受的。如果没有收到握手信号，PD就应该向用户发出某种信号，表示它插入了错误类型的PSE。

李小路

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