如何設(shè)計兼容現(xiàn)今產(chǎn)品并著眼未來的PE受電設(shè)備

1、咱由（產(chǎn)品管理）如何設(shè)計兼容現(xiàn)今產(chǎn)品并著眼未來的PE受電設(shè)備20XX年XX月多年的企業(yè)咨詢豉問經(jīng)驗.經(jīng)過實戰(zhàn)驗證可以落地機行的卓越管理方案，值得您下載擁有如何設(shè)計兼容現(xiàn)今產(chǎn)品且著眼未來的PoE受電設(shè)備IEEE802.3af以太網(wǎng)供電(PoE)標準描述了如何通過以太網(wǎng)CAT-5電纜分配最高達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委員會正于定義壹個可提供更高功率的類似標準。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,而不會損壞純數(shù)據(jù)以太網(wǎng)設(shè)備。圖1：圖3所示PD實例的I-V曲線。陰影區(qū)域顯示IEEE限定的檢測、分級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和系統(tǒng)級解決。此外，壹個解決方案不能適用于所有情況，設(shè)計師要能夠于保持可互操作的同時根據(jù)其應(yīng)用的需求定制解決方案。為了幫助設(shè)計師于滿足應(yīng)用需求的同時遵循802.3af標準且滿足互操作性要求，本文列出了PD設(shè)計面臨的多種

3、難題，且用電路實例來說明可能的解決方案。大多數(shù)針對PD的IEEE802.3af標準均能夠用圖1所示的PDI-V曲線來描述。該曲線分成3個電壓范圍：2.7V至10.1V是檢測范圍；14.5V至20.5V是分級范圍；30V至57V是供電范圍。于這些范圍里，PD的行為是受IEEE標準控制的，不過這些范圍之間的過渡區(qū)域?qū)ゲ僮餍詠碚f也同樣重要。PSE于檢測范圍進行探查以區(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。當輸入或端口電壓超過30V時，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顯示的電路實現(xiàn)PD的全部PoE接口，其中包括DC/DC轉(zhuǎn)換。這樣壹來，PoE接口就成了壹個自含式電源，從而容許PD設(shè)計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說明了這壹點，圖中較寬的線代表低電阻

6、連線。把PD連接到備用線對非常簡單，因為這些連線不傳輸數(shù)據(jù)，如圖2所示，無需磁鐵。（就把數(shù)據(jù)放于備用線對上的千兆以太網(wǎng)而言，把PD連接到圖2中作為數(shù)據(jù)線對的那個相同磁鐵上。）壹旦磁鐵從電纜獲取功率和數(shù)據(jù)，那么無論是從備用線對仍是從數(shù)據(jù)線對上見，PD均是壹樣的。實際上，就倆種電壓極性和倆個線對而言，我們對PDI-V曲線的要求也是相同的。圖3中D1-D8組成的壹對二極管電橋把來自倆個線對的信號組成壹個單極性輸出，容許壹個遵循802.3af標準的PD接口（由圖3中的LTC4267控制-LTC4267PoE為壹受電設(shè)備控制器）為倆個輸入線對和倆種極性提供服務(wù)。除了二極管電橋，圖2仍有壹個保護PD輸入的

7、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），因為振鈴、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)換器實例圖。檢測于建立PoE連接的過程中，檢測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標準要求這個偏移小于1.9V（對于于-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有泄漏，倆個且聯(lián)二極管的泄漏于10.1V反向偏置時必須低于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)計師的負擔。分級表1：IEEE802.3afPD級別（注意PD的0級和4級沒有列出，也不應(yīng)該采用。）成功

9、檢測之后，大多數(shù)PSE會對PD分級以確定該用電設(shè)備會消耗多少功率。分級提高了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個消耗功率為5W被定為3級的PD就最大限度地利用了壹個150W電源的功率，因為該PSE必須向每個3級PD分配15.4W功率。如果同樣的PD定為2級，那么該PSE會向每個PD分配7W功率，其150W功率能夠給21個PD供電。用表1能夠為PD選擇合適的級別，選擇最大持續(xù)功率和峰值電流低于PD相應(yīng)參數(shù)的最低級數(shù)（1、2或3）。分級是由PSE完成的，它強迫端口電壓進入分級范圍，然后測量PD電流。于整個分級區(qū)域，PD的電流必須符合表1所列的3個范圍之壹。盡管

10、802.3af標準規(guī)定于檢測和分級之間有超過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，二極管的VF大約是0.5V,而最低溫度時這個電壓大約為0.9V。注意圖1中典型I-V曲線的斜坡。如果檢測和分級之間的過渡處理得不夠平滑，那么可能發(fā)生振蕩，因為 PD 的分級電流可能使端口電壓降低到分級范圍之外。即使有來自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之上時斷開分級電流所產(chǎn)生的負電阻可能引起更嚴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)該盡力實現(xiàn)平滑單調(diào)的I-V曲線，如圖1所示。加電進PD

11、接通且開始從電纜獲得功率，PD設(shè)計就變得更加復雜了，因為PoE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標準。LTC4267就有為實現(xiàn)這種合作所需的倆個最重要的部分：PoE接口和DC/DC轉(zhuǎn)換器。瑜入電壓圖4:顯示二極管電阻對PD檢測特征影響的檢測I-V曲線。LTC4267壹直等到輸入達到36V時才開始獲得功率，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。采用電源良好信號對DC/DC轉(zhuǎn)換器來說是很重要，因為提供恒定輸出功率的轉(zhuǎn)換器于其輸入電壓下降時會消耗更大的電流。如果轉(zhuǎn)換器于低電壓時斷開，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PD成功加電至關(guān)重要。獲得功率50ms啟動時間壹到，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別的最高功耗（參見表1）。PD仍必須用保持功率特征（MPS）信號表明其繼續(xù)存于。如果沒有MPS信號，那么PSE會關(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10mA或更高的DC電流和壹個低于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處理的。設(shè)計師必須確保PD電路消耗的功率永遠低于表1中相應(yīng)級別的功率。負載

15、電路不可能消耗12.95W，因為PoE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，因為802.3af標準要求以太網(wǎng)插座引腳和PD之外的其它任何導電部分隔離。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)計成沒有附加隔離措施。綢繆未來幾乎是802.3af以太網(wǎng)供電標準剛壹發(fā)布，用戶就開始要求更高功率了。13瓦對于基本IP電話來說足夠了，可是就機動化相機、多重無線接入點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重限制。為此，IEEE已經(jīng)新成立了壹個名為PoE+的研究小組，該小組將制訂新標準，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個雙絞線對，可是802.3af標準于任何時候均只允許倆個線對攜帶電流。壹個可選方案是允許額外電流流過第三和第四線對，從而使可用功率翻倍。第二個可選方案是提高電流限度，容

17、許于倆個線對上傳送更高的功率。當下這倆種方法每種均于專用PoE系統(tǒng)中出現(xiàn)了。可是，每種方法均有自己的缺點，因此難于于它們之間做出選擇。利用所有4個線對有可能給受電設(shè)備(PD)提供最高功率，因為這種方法利用了電纜中的所有傳導能力，最大限度地降低了端到端電阻和電阻帶來的功率損耗?？墒?，給所有4個線對供電差不多使端口控制器電路的成本翻了壹番，因為4線對PSE必須為每套線對提供檢測和故障控制。而4線對PD必須限制從每個線對獲得的電流，而且即使輸入線對之間的電壓相差非常大時，也必須保持電流平衡。倆線對方法避免了成本和電流平衡問題，只需要對今天802.3af設(shè)計中已經(jīng)就緒的電路做很少的修改。倆線對設(shè)計的問題是電纜延長時的功率損耗，因為和4線對方法相比，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擔。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增加產(chǎn)生振鈴的機會，增大PD或PSE電路損壞的風險。任何大功率方案均必須保持和8