以太網(wǎng)供電PoEIEEE803af標(biāo)準(zhǔn)

1、以太網(wǎng)供電（PoE）的 IEEE802.3a 標(biāo)準(zhǔn)說明了通過以太網(wǎng)的 CAT-5 電纜如何分配高達(dá) 12.95W 的功率，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠在不采用 AC 電源線下運(yùn)作。該標(biāo)準(zhǔn)確立了一 個(gè) 獨(dú) 立 于 以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 傳 輸 的 DC 電 源 分 配 網(wǎng) 絡(luò) 運(yùn) 作 ， 它 與 現(xiàn) 有 的（10Base-T100Base-TX 和 1000Base-T 以及未來的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兼容。802.3af電源通過供電設(shè)備 （PSE）來提供， 該設(shè)備管理電源并區(qū)分需要電源的受電設(shè)備 （PD）與單純的數(shù)據(jù)設(shè)備。由于 PSE 的檢測方法可以做這個(gè)區(qū)分，用戶就可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上采用以太網(wǎng)供電，而不會(huì)毀壞僅用于

2、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)設(shè)備。802.3af 的目的是推動(dòng)一種新型的以太網(wǎng)設(shè)備（PD）,它不需 AC 線電源來運(yùn)作。PD 為終端用戶提供了巨大的好處，使用戶無需 AC 插座和從位于中心的不間斷電源（UPS）吸取功率就可獲得電源。不用 AC 電源轉(zhuǎn)換電路，PD 需要一個(gè)符合 802.3af的以太網(wǎng)供電接口和一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 針對 802.3af 網(wǎng)絡(luò)接口的集成電路簡化了它們的實(shí)現(xiàn)，在縮短設(shè)計(jì)時(shí)間的同時(shí)，還有助于兼容 802.3a集成電路不能解決以太網(wǎng)供電所有的問題，有一些必須在主板和系統(tǒng)層面來解決。此外，沒有一個(gè)解決方案能夠適合每一個(gè)人。設(shè)計(jì)師需要有自由度，能夠在確保互操作的情況下為各自的應(yīng)用

3、設(shè)計(jì)相應(yīng)的解決方案。 為了幫助設(shè)計(jì)師們更好地了解應(yīng)用、802.3af 標(biāo)準(zhǔn)和互操作等方面的要求，本文列舉出 PD 設(shè)計(jì)必須解決的很多問題，并通過一個(gè)電路例子來說明可能的解決方案。IEEE 限制以及作者所建1）。該曲線被分割成三電源接通/關(guān)斷以及從 30V至 57V 的供電。在這些范圍內(nèi)的PD 表現(xiàn)受 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)管理，但是這些范圍之間的轉(zhuǎn)換對互操作來說是同等重要的。PSE 進(jìn)入到檢測領(lǐng)域以區(qū)分 25kQ 電阻的 PD 與 150Q 共模終端不需要供電的設(shè)備。在分級范圍內(nèi)，PD 的電流符合所需的功率大小。當(dāng)其輸入或端口電壓超過 30V 時(shí)，PD開始從電纜中吸收電源，以維持其余電路的運(yùn)行。在多數(shù)

4、的 PD 中，從以太網(wǎng)端口的 48V 輸入通PD 的大部分 IEEE802.3af 標(biāo)準(zhǔn)是對 PD 的 I-V 曲線進(jìn)行描述（如圖個(gè)不同作用的電壓范圍：2.7V 至 10.1V 的檢測、14.5V 至 20.5V 的分級、(KTiCimCUCSiflUT：MK日( (HOFPCWIKD圖 1,圖 3 中所示 PD 例子的 I 端曲線。陰影部分是監(jiān)測、分級和通電的議的限制。過 DC/DC 轉(zhuǎn)換至類似 3.3V 或 2.5V 的電壓， 以配合 PD 電路的要求。 圖 2 與圖 3 闡釋了能夠處理 PD 整個(gè) PoE接口的電路，其中包括 DC/DC 轉(zhuǎn)換。在這樣的劃分下，以太網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)成為自供電應(yīng)用

5、，使 PD 設(shè)計(jì)師能夠集中精力在電路和軟件上，以設(shè)計(jì)出與眾不同的PD連接電纜PD 的以太網(wǎng)供電接口和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口或者 PHY 都必須連接到 RJ-45 以太網(wǎng)插口上。圖 2示意了一個(gè)理想的完成這些連接的方法。75Q 共模終端電阻是 AC 耦合的，所以與 PoE 不會(huì)沖突。終端連接在共模扼流圈的電纜一側(cè)，使得扼流圈的電感以及高 AC 阻抗不會(huì)影響終端的阻抗。圖 2 和圖 3 中較粗線說明了 PoE 高達(dá) 400mA 的 DC 電流流動(dòng)位置。這些路徑上連線和電路板跡線需要特別注意保持低的電阻。 在電路板上采用寬的跡線并將組件緊湊地安裝在一起以縮短跡線的長度。 在磁性器件 （T1T6）中，控制線電

6、阻以確保 DC 電流不會(huì)讓 T5 或 T6 飽和以及阻礙數(shù)據(jù)傳輸顯得特別重要。自耦變壓器 T1 和 T2 的繞線必須使得從中心抽頭起它們的兩條線有相同的電阻。即使當(dāng) T1 和 T2 的繞線準(zhǔn)確，電纜電阻還會(huì)導(dǎo)致一些 DC 差分電壓。通過 T1 和 T2 的電阻比扼流圈 T3、T4 以及數(shù)據(jù)變壓器 T5 和 T6 要低，磁性使生成的電流經(jīng)過 T1 或 T2。這在圖 2中進(jìn)行了闡述，較寬的線條代表低電阻電線。將 PD 連接到備份線對上要簡單得多，因?yàn)檫@些電線不會(huì)傳輸數(shù)據(jù)，如圖 2 所示，所以不需要磁性器件。（對千兆位以太網(wǎng)而言，它們把數(shù)據(jù)放在備份線對上， 可以用相同的磁性器件進(jìn)行連接， 就像圖 2

7、 中的數(shù)據(jù)線對一樣。 ）。汴IOn?Tnro?0E呻舫I屏0114圖 2,舉例說明從以太網(wǎng)電纜接收 PoE 電源和 10/100 數(shù)據(jù)的磁性器件。CT1-CT4 接線連接至圖 3所示電路的輸入端。一旦電源和數(shù)據(jù)通過磁性器件從電纜中抽取出來，不論是從備份線對還是數(shù)據(jù)線對看，PD 都是一樣的。實(shí)際上，PD 的 I-V 曲線對兩個(gè)電壓極性和兩個(gè)線對都是一樣的。圖 3 中的一對二極管電橋（D1-D8）將兩對的訊號結(jié)合成一個(gè)單極輸出，使一個(gè)符合HlOIKRMfT802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的 PD 接口（由圖 3T*中的 LTC4267 控制）能夠?yàn)閮蓪斎牒蛢煞N極性服務(wù)。圖 3,802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的 PoE

8、 接口和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的原理圖。由于振鈴、過沖瞬變、靜電以及地電位差異等等會(huì)給電纜施加數(shù)百或數(shù)千伏特的電壓，因此除了二極管電橋之外，圖 2 還具有一個(gè)用于對 PD 的輸入提供保護(hù)的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。因線纜有可達(dá) 0.05 碉及低串聯(lián)電感和電阻， 這些電壓的能量可以很達(dá)到很大。 瞬態(tài)電壓抑制器可以吸收這些能量的大部分，但是 PoE 接口的其余部分必須特別設(shè)計(jì)以為能夠經(jīng)受住在運(yùn)行范圍之外的 20V 至 30V,直到 TVS 對電壓進(jìn)行限制為止。檢測在建立以太網(wǎng)供電連接時(shí)，檢測是第一步，而且是最重要的一步。一個(gè) PD 有 25kQ 的共模電阻，而多數(shù)非供電設(shè)備具有 150Q 共模終端。

9、在 2.7V 至 10.1V 之間，PD 必須有一個(gè) 251.25kQ的檢測特征電阻。除了電阻器本身（與 LTC4267 包括在圖 3）外，這些二極管電橋是 PD 的 25kQ檢測特征最重要的因素。二極管的前向電壓為特征增加偏移電壓，標(biāo)準(zhǔn)要求低于 1.9V（對-40C溫度下的硅二極管足夠）。這些二級管的非線性串聯(lián)電阻會(huì)影響這些特征，如圖 4 所示。反向偏置電橋二極管增加漏電，所以使兩個(gè)并聯(lián)的二極管的漏電必須低于 IEEE 規(guī)定的 10.1V 反向偏置下的 10 磁限制。LTC4267 通過集成和優(yōu)化特征電阻解決了很多這些問題，如圖 4 所示，從而彌補(bǔ)了二極管電橋及其本身電流的問題，為設(shè)計(jì)師解決

10、了后顧之憂。AESISTANCE=Al圖 4,監(jiān)測 I-V 曲線說明二極管電阻在 PD 檢測特征方面的作用分級成功檢測之后，大部分 PSE 將 PD 分級來決定消耗多少電量。分級能句提高 PSE 的電源管理，使之在同樣瓦數(shù)的電源條件下能夠?yàn)楦?PD 提供電源。例如，9 個(gè)消耗 5W 但是被稱為分級 0 的 PD 能夠達(dá)到 150W 電源能力的最大值，因?yàn)?PSE 必須將 15.4W 分配給每一個(gè)分級 0 的 PD 如果同樣的 PD 用作分級 2,PSE 分配 7W 給它們， 它的 150W 能夠提供給 21 個(gè) PD。 所以要選擇最大持續(xù)功率和峰電流比 PD 要低的最低分級（1、2 或 3）

11、,從表 1 為您的 PD 選擇適合的類別。最大最大PD功率功率峰值峰值PD1J912hA低功率低功率PD221DI326712-95T400*A高功率或漏功率同高功率或漏功率同表 1:IEEE802.3afPD 分級。符合的 PD 在 14.5V 至 20.5V 之間具有適當(dāng)?shù)姆旨夒娏鳎耶?dāng)接通電源時(shí)保持不超過最大功率和峰值電流。注意 PD 分級 0 和分級 4 沒有顯示出來而且不應(yīng)采用,進(jìn)行分級通常由 PSE 強(qiáng)迫端口電壓符合分級范圍并測量 PD 的電流。在分級的整個(gè)領(lǐng)域，PD的電流必須在表 1 所示的 3 個(gè)范圍中的一個(gè)之內(nèi)。盡管 802.af 標(biāo)準(zhǔn)在檢測和分級間放置超過 5V的電壓，但

12、是大部分還是被二極管前向電壓（VF）的溫度變異所消耗。溫度高時(shí)，二極管的 VF在 0.5V 左右，溫度低時(shí)，二極管 VF 在 0.9V 左右，所以 LTC4267 必須在僅超過 3V 左右從檢測切換至分級。在這個(gè)范圍之外，LTC4267 會(huì)盡量達(dá)到最大的互操作性，通過緩慢地導(dǎo)通分級電流，請注意圖1所示典型的I-V曲線的斜率。 從0mA到高至30mA的改變可能會(huì)導(dǎo)致端口電壓下降至分級范圍以下，所以 PD 關(guān)掉分級電流，這樣就會(huì)出現(xiàn)振蕩。即使是采用 PSE 的穩(wěn)定電壓，PD電流與 100 米電纜電感的快速變化也會(huì)產(chǎn)生振蕩。高于 20.5V 時(shí)切斷分級電流的負(fù)電阻會(huì)引起更嚴(yán)重的振蕩和互操作方面的問題

13、。為了實(shí)現(xiàn)最大的互操作，PD 應(yīng)該具有平滑、單調(diào)的 I-V 曲線，如圖 1 所示。接通電源當(dāng) PD 接通并開始從電纜中獲得電源時(shí)，PD 設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，因?yàn)橐蕴W(wǎng)供電接口、DC/DCDIODES:SIBLFG4UWLYIttLLOWtKLIMITINPUTVOLTAGE(V)轉(zhuǎn)換器和其它 PD 電路必須一起工作，以保持符合 802.3afoLTC4267 包括該組合的兩個(gè)最重要的成員，這就是 PoE 接口和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，因此是說明這些原則的一個(gè)非常好的例子。LTC4267 等到輸入達(dá)到 36V 時(shí)才開始吸取電源并限制涌入電流在 140mA 以下（如圖 1）。通過等到 36V,LTC4

14、267 在接通（36V）和切斷（30V）電壓之間有 6V 的遲滯。由于 LTC4267 升高的 140mA電流和高至 20Q 的電纜電阻，這個(gè)遲滯防止在端口電壓下降時(shí)（2.8V=20QX140mA）LTC4267 不至于在開或關(guān)之間振蕩。一旦安裝 LTC4267 的 PD 后接通電源，LTC4267 切換至 375mA電流限制，允許 PD 從電纜獲得分級 3 電源全部 12.95W。具有更高涌入電流限制的 PD 需要更大的遲滯，802.3af 允許高達(dá) 12V 以防止振蕩。只要能夠在 PSE 的 400mA 至 450mA 電流限制下，在 50ms 之內(nèi)接通電源，PD 并不要求實(shí)施自己的電流限

15、制。沒有自己限制電流或在 50ms 內(nèi)通電的 PD 將關(guān)斷它們的電源。像 LTC4267 這樣的 PD 控制器集成電路采用電流限制和另外一個(gè)稱作“電源良好（powergood）”的特性，以確保 PD 正確地通電?？刂破鞯碾娫戳己幂敵鰧?PD 的其它電路切斷直到 CIN 充電到端口電壓。圖 3 對此進(jìn)行了說明，LTC4267 的 PWRGD 引腳阻止其 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作，直到 VPORTN 和POUT 之間不足 1.5V。采用電源良好特性對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是非常重要，因?yàn)楫?dāng)輸入電壓下降時(shí)，提供恒定輸出功率的轉(zhuǎn)換器會(huì)吸取更多的功率。如果轉(zhuǎn)換器在低壓時(shí)啟動(dòng)，其高電流會(huì)緩慢下來或甚至阻止

16、CIN 充電。因此，電源良好或其它延緩 DC/DC 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)的方法對 PD 的成功通電順序是非常關(guān)鍵。受電一旦超過 50ms 的啟動(dòng)時(shí)間，PD 的 CIN 應(yīng)該充電到 VPORT（不足二極管電橋的 2XVF）,PD 的功率消耗也必須低于其分級所分配到的最大值（見表 1）。PD 還必須通過維持功率特征（MPS）發(fā)送持續(xù)工作信號。如果沒有 MPS,PSE 將切斷電源，阻止一個(gè)受電電纜接入不能通電的以太網(wǎng)設(shè)備。MPS 是一個(gè) 10mA 或更大的 DC 電流，阻抗低于 26.35k,與超過 0.05 碉電容并聯(lián)。非常少的PD 需要特殊的電路來提供 MPS。在很多情況下，CIN、DC/DC 轉(zhuǎn)換器的阻

17、抗和PD 正常運(yùn)行使用的電流都滿足 802.3afMPS 要求。諸如自動(dòng)調(diào)溫器等其功耗會(huì)在應(yīng)用中引發(fā)問題的低功率 PD 被允許將其 MPS 電流脈動(dòng)至 10mA 以上達(dá) 75ms,并使脈沖之間的最大間隔達(dá)到 250ms,從而把功耗降至 100mW 左右。像 MPS 一樣，很多情況下保持在分級限制之內(nèi)是通過 PD 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器及從該轉(zhuǎn)換器獲得電源的電路來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)師必須確保 PD 電路使用的功率低于在圖 3 級別的功率。負(fù)載電路不能消耗 12.95W,因?yàn)楣β试谝蕴W(wǎng)供電接口（通常是二極管電橋）和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中損失了。采用低漏電的肖特基二極管能夠在二極管電橋中降低 0.5W=2

18、X0.7VX350mm。在圖 3 中，LTC4267 的以太網(wǎng)供電接口消耗不足 180mW,而布設(shè)于 VPORTN 和 POUT 之間的 1.6QRONMOSFET 會(huì)產(chǎn)生 200mW 的功耗，乘 U 下 12.07W=12.95W0.50W0.18W0.20W。這 12W 中有多少 PD 電路能利用要看 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作和用以提高效率的電路技術(shù)在本文不會(huì)作敘述，讀者可參考教科書以及轉(zhuǎn)換器制造商所提供的應(yīng)用指南。隔離在圖 3 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最重要的方面是輸入與輸出之間的隔離。大部分 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)插口的引腳要與其它PD外