 ---以太網(wǎng)供電技術(shù)(PoE)使IP電話、WLAN接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)相機(jī)等小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以直接從以太網(wǎng)線獲得電源,不必再單獨(dú)鋪設(shè)電力線,這樣大大簡化了布線,降低了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本。另外,通過UPS備份的局域網(wǎng)供電,還可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備免受電網(wǎng)掉電的影響,可以像傳統(tǒng)電話那樣在停電的時(shí)候仍然可以運(yùn)轉(zhuǎn)。為了規(guī)范和促進(jìn)PoE市場的發(fā)展,IEEE 802.3工作組專門制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),即IEEE 802.3af,作為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的延伸。標(biāo)準(zhǔn)的制定工作開始于1999年,并于2003年6月最終獲得通過。標(biāo)準(zhǔn)的訂立,再加上VoIP、WLAN市場的迅猛增長,使得PoE也迅速被市場所接受。為了安全、可靠地將PoE技術(shù)引入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中,并且和原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相兼容,IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)供電的電源、傳輸和接受都作了細(xì)致的規(guī)定。在設(shè)計(jì)依靠網(wǎng)絡(luò)供電的應(yīng)用時(shí),必須嚴(yán)格遵守這些規(guī)定,才能夠從網(wǎng)絡(luò)獲得電源。本文首先對(duì)PoE系統(tǒng)的構(gòu)成作一簡單介紹,然后重點(diǎn)說明受電設(shè)備接口和電源設(shè)計(jì)中需要注意的一些問題,并介紹幾種可用的器件和參考設(shè)計(jì)。 PoE系統(tǒng)的構(gòu)成
---在PoE系統(tǒng)中,提供電源的設(shè)備被稱為供電設(shè)備(PSE,Power Sourcing Equipment),而使用電源的設(shè)備稱為受電設(shè)備(PD,Power Device)。PSE負(fù)責(zé)將電源注入以太網(wǎng)線,并實(shí)施功率的規(guī)劃和管理�？梢圆捎脙煞N類型的PSE,一種是“Endpoint PSE”,另一種是“Midspan PSE”。Endpoint PSE就是支持PoE的以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。
---Midspan PSE是一個(gè)專門的電源管理設(shè)備,通常和交換機(jī)放在一起,在機(jī)架中位于交換機(jī)的下方。對(duì)應(yīng)于每個(gè)端口有兩個(gè)RJ45插孔,一個(gè)用短線連接至交換機(jī),另一個(gè)連接遠(yuǎn)端設(shè)備,如圖1所示。電源在機(jī)箱內(nèi)被注入網(wǎng)線而信號(hào)未作任何調(diào)整。PD則有多種形式,如數(shù)字IP電話、無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、PDA或筆記本電腦接駁器、移動(dòng)電話充電器及HVAC溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器等。實(shí)際上,任何需要數(shù)據(jù)連接并能在13W或更低功率下工作的設(shè)備都可無需AC電源或電池供電,僅從RJ45插座就能夠得到相應(yīng)的電力。  供電設(shè)備PSE
---PSE負(fù)責(zé)PoE系統(tǒng)的電源管理,連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)上PD設(shè)備的連接狀況,并根據(jù)PD的功率要求,將適當(dāng)?shù)碾娏νㄟ^五類電纜中的信號(hào)線對(duì)(Endpoint PSE)或備用線對(duì)(Midspan PSE)輸送到PD,并在PD下線時(shí)切斷電源。
---如圖2所示,PSE利用信號(hào)線對(duì)或備用線對(duì)(其中之一)提供44～57V(額定48V)的直流電源。電源以共模方式施加在雙絞線上,對(duì)于差分信號(hào)沒有影響,并且由于耦合變壓器的隔離,也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)器產(chǎn)生影響。
---為避免將48V電源加給非PoE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,對(duì)其造成危害,PSE在加電之前首先要用一個(gè)小電壓/電流的探測信號(hào)去偵測是否有PD接入,這個(gè)過程稱為PD偵測。PD偵測所用的探測電壓為2.7～10.1V,電流限定在1.5mA以內(nèi)。為了便于PSE識(shí)別,IEEE 802.3af對(duì)于PD在偵測過程中的特征作出了規(guī)定,如表1所示。如未偵測到有效的PD,則PSE繼續(xù)偵測。其中,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Endpoint PSE可以連續(xù)偵測,而Midspan PSE需要延遲約2.8秒再重新偵測,以免發(fā)生沖突。
---偵測到有效的PD后,PSE需要了解PD的用電量,以便系統(tǒng)電源的規(guī)劃,這個(gè)過程稱為PD分級(jí)。這一階段PSE利用一個(gè)15～20V的探測電壓來檢測PD的功率級(jí)別。通過從線上吸收一個(gè)恒定電流做為分級(jí)特征信號(hào),PD向PSE表明自己所需的最大功率。表2列出了分級(jí)情況及其恒流特征。
---成功偵測和分級(jí)后,PSE就可向PD供電了。為了降低EMI,PSE需要限制電壓的擺率和電流的上升速率。供電期間,PSE還要對(duì)每個(gè)端口的供電情況進(jìn)行監(jiān)視,提供欠壓和過流保護(hù)。
---正如PSE不能向非PD設(shè)備傳輸電力一樣,PSE也不能在PD已經(jīng)斷開后還使電源處于接通狀態(tài),因?yàn)楣╇婋娎|有可能會(huì)插在一個(gè)非PD設(shè)備上。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種方法讓PSE檢測PD是否斷開,即DC斷路法和AC斷路法,實(shí)施者可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況選擇合適的方法。
---DC斷路法根據(jù)從PSE流向PD的直流電流大小,從而判斷PD是否在線。在給定的時(shí)間tDIS(300～400ms)內(nèi),電流始終小于閾值IMIN(5～10mA)電流時(shí),PSE就認(rèn)為PD不存在,將把電源切斷。這種方法唯一的麻煩就是,如果PD工作在低功耗模式時(shí),為了避免掉線必須周期性地從線上吸取一定的電流。AC斷路法沒有這個(gè)問題,但做起來麻煩一點(diǎn)。它是測量以太網(wǎng)端口的交流阻抗,如果沒有PD連接,端口的阻抗會(huì)很高,可能達(dá)到幾兆歐。而當(dāng)接有PD時(shí),端口的阻抗會(huì)小于26.5kΩ。 受電設(shè)備PD接口和電源的設(shè)計(jì)
---IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于PD的規(guī)定前面已有了一些說明。首先PD應(yīng)能通過信號(hào)線或備用線接收電源,通常由二極管對(duì)兩個(gè)電源進(jìn)行線“或”來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電源通過另一對(duì)線傳輸時(shí),還要把未用線對(duì)的標(biāo)志去除,這也是IEEE 802.3af規(guī)范所要求的。當(dāng)PSE用2.7～10.1V之間的電壓偵測時(shí),PD必須具有表1所示的輸入特性。偵測特征信號(hào)可以用25kΩ的固定電阻提供,另外還可以并一個(gè)小電容和齊納管以提供ESD保護(hù)。為了滿足輸入偏流小于12μA和輸入電容小于0.6μF的規(guī)定,偵測期間必須將后端的DC/DC與線路隔離開。另外,接口控制電路的消耗電流應(yīng)小于12μA。當(dāng)用15～20V之間的電壓偵測時(shí),PD需要通過吸收一定的恒流來表明自己的功率(可選),接口控制電路需要加一個(gè)恒流源到線上。需要注意的是,這個(gè)恒流源需要從高壓線上吸取一個(gè)較大的電流,因此分級(jí)過程中可能會(huì)有較大的耗散功率,最壞情況下會(huì)高達(dá)880mW,恒流源應(yīng)該有足夠的耗散能力。
---偵測和分級(jí)完成后,PD就會(huì)從PSE獲得一個(gè)44～57V的電壓,這時(shí)PD要遵守幾條規(guī)定。在端電壓升到30V以前,它不應(yīng)該消耗太大負(fù)載電流,這是為了避免與分級(jí)特征信號(hào)互相干擾;但是當(dāng)電壓達(dá)到42V時(shí),它又必須處于完全工作狀態(tài)。PD工作時(shí)不能連續(xù)吸取350mA電流或12.95W功率(以較小值情況為準(zhǔn)),短時(shí)內(nèi)可允許400mA的浪涌電流。PD的輸入電容必須低于180μF,以便在電源接通時(shí)將浪涌電流保持在合理的水平 ;如果輸入電容大于180μF,PD就要主動(dòng)限制浪涌電流,使它低于350mA。最后,PD至少要保持10mA的電流且交流阻抗要維持在26.5kΩ或更少以避免掉線,這又稱為功率維持特征信號(hào)。
---為了使PD符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的要求,確保和其他廠商的PoE設(shè)備互操作,必須仔細(xì)設(shè)計(jì)PD的接口和電源。半導(dǎo)體廠商推出的集成PD接口控制器使這項(xiàng)任務(wù)大大地簡化了�？捎玫慕涌诳刂破饔蠺I的TPS2370/TPS2371,Linear的LTC4257,以及Maxim的MAX5940A/MAX5940B。Maxim甚至將用于DC/DC轉(zhuǎn)換的PWM控制器也集成在了同一芯片中,這樣的芯片有MAX5941A/B、MAX5942A/B,利用它們可以設(shè)計(jì)出非常緊湊的PD供電電路。圖3給出了一個(gè)利用PD接口控制器和DC/DC模塊組成PD供電方案。圖4給出了一個(gè)利用MAX5941B PD接口加上PWM控制器組成的PD供電方案,前端電路未畫出,其中的PWM控制器為電流模式控制器,工作于275kHz±10%開關(guān)頻率,完全符合PoE規(guī)范的軟啟動(dòng)特性。 結(jié)語
---以太網(wǎng)供電技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢為VoIP和WLAN這兩個(gè)市場的發(fā)展增加了動(dòng)力。而這兩個(gè)市場的迅猛發(fā)展也帶動(dòng)了PoE技術(shù)走向市場的步伐。隨著PoE的實(shí)施規(guī)模逐漸擴(kuò)大,它同時(shí)還會(huì)催生出一些新的應(yīng)用和產(chǎn)品。在為這些應(yīng)用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)PD接口時(shí),必須嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,以確保和PSE的互操作性。現(xiàn)在,利用集成化的PD接口控制器或接口加PWM控制器,這項(xiàng)任務(wù)已大大簡化了。 <!-- （Artesyn公司供稿） --> |
