 ---以太網(wǎng)供電技術(PoE)使IP電話、WLAN接入點、網(wǎng)絡相機等小型網(wǎng)絡設備可以直接從以太網(wǎng)線獲得電源,不必再單獨鋪設電力線,這樣大大簡化了布線,降低了網(wǎng)絡基礎設施的建設成本。另外,通過UPS備份的局域網(wǎng)供電,還可以使網(wǎng)絡設備免受電網(wǎng)掉電的影響,可以像傳統(tǒng)電話那樣在停電的時候仍然可以運轉。為了規(guī)范和促進PoE市場的發(fā)展,IEEE 802.3工作組專門制定了一個標準,即IEEE 802.3af,作為以太網(wǎng)標準的延伸。標準的制定工作開始于1999年,并于2003年6月最終獲得通過。標準的訂立,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技術引入現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施中,并且和原有的網(wǎng)絡設備相兼容,IEEE 802.3af標準對于網(wǎng)絡供電的電源、傳輸和接受都作了細致的規(guī)定。在設計依靠網(wǎng)絡供電的應用時,必須嚴格遵守這些規(guī)定,才能夠從網(wǎng)絡獲得電源。本文首先對PoE系統(tǒng)的構成作一簡單介紹,然后重點說明受電設備接口和電源設計中需要注意的一些問題,并介紹幾種可用的器件和參考設計。 PoE系統(tǒng)的構成
---在PoE系統(tǒng)中,提供電源的設備被稱為供電設備(PSE,Power Sourcing Equipment),而使用電源的設備稱為受電設備(PD,Power Device)。PSE負責將電源注入以太網(wǎng)線,并實施功率的規(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、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡交換設備。
---Midspan PSE是一個專門的電源管理設備,通常和交換機放在一起,在機架中位于交換機的下方。對應于每個端口有兩個RJ45插孔,一個用短線連接至交換機,另一個連接遠端設備,如圖1所示。電源在機箱內被注入網(wǎng)線而信號未作任何調整。PD則有多種形式,如數(shù)字IP電話、無線網(wǎng)絡接入點、PDA或筆記本電腦接駁器、移動電話充電器及HVAC溫度自動調節(jié)器等。實際上,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的電力。  供電設備PSE
---PSE負責PoE系統(tǒng)的電源管理,連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡上PD設備的連接狀況,并根據(jù)PD的功率要求,將適當?shù)碾娏νㄟ^五類電纜中的信號線對(Endpoint PSE)或備用線對(Midspan PSE)輸送到PD,并在PD下線時切斷電源。
---如圖2所示,PSE利用信號線對或備用線對(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,對于差分信號沒有影響,并且由于耦合變壓器的隔離,也不會對數(shù)據(jù)收發(fā)器產生影響。
---為避免將48V電源加給非PoE的網(wǎng)絡設備,對其造成危害,PSE在加電之前首先要用一個小電壓/電流的探測信號去偵測是否有PD接入,這個過程稱為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。為了便于PSE識別,IEEE 802.3af對于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,標準規(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,這個過程稱為PD分級。這一階段PSE利用一個15～20V的探測電壓來檢測PD的功率級別。通過從線上吸收一個恒定電流做為分級特征信號,PD向PSE表明自己所需的最大功率。表2列出了分級情況及其恒流特征。
---成功偵測和分級后,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還要對每個端口的供電情況進行監(jiān)視,提供欠壓和過流保護。
---正如PSE不能向非PD設備傳輸電力一樣,PSE也不能在PD已經(jīng)斷開后還使電源處于接通狀態(tài),因為供電電纜有可能會插在一個非PD設備上。IEEE 802.3af標準規(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,實施者可根據(jù)系統(tǒng)的實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。在給定的時間tDIS(300～400ms)內,電流始終小于閾值IMIN(5～10mA)電流時,PSE就認為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,為了避免掉線必須周期性地從線上吸取一定的電流。AC斷路法沒有這個問題,但做起來麻煩一點。它是測量以太網(wǎng)端口的交流阻抗,如果沒有PD連接,端口的阻抗會很高,可能達到幾兆歐。而當接有PD時,端口的阻抗會小于26.5kΩ。 受電設備PD接口和電源的設計
---IEEE 802.3af標準對于PD的規(guī)定前面已有了一些說明。首先PD應能通過信號線或備用線接收電源,通常由二極管對兩個電源進行線“或”來實現(xiàn)。當電源通過另一對線傳輸時,還要把未用線對的標志去除,這也是IEEE 802.3af規(guī)范所要求的。當PSE用2.7～10.1V之間的電壓偵測時,PD必須具有表1所示的輸入特性。偵測特征信號可以用25kΩ的固定電阻提供,另外還可以并一個小電容和齊納管以提供ESD保護。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小于12μA。當用15～20V之間的電壓偵測時,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恒流源到線上。需要注意的是,這個恒流源需要從高壓線上吸取一個較大的電流,因此分級過程中可能會有較大的耗散功率,最壞情況下會高達880mW,恒流源應該有足夠的耗散能力。
---偵測和分級完成后,PD就會從PSE獲得一個44～57V的電壓,這時PD要遵守幾條規(guī)定。在端電壓升到30V以前,它不應該消耗太大負載電流,這是為了避免與分級特征信號互相干擾;但是當電壓達到42V時,它又必須處于完全工作狀態(tài)。PD工作時不能連續(xù)吸取350mA電流或12.95W功率(以較小值情況為準),短時內可允許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。
---為了使PD符合IEEE 802.3af標準的要求,確保和其他廠商的PoE設備互操作,必須仔細設計PD的接口和電源。半導體廠商推出的集成PD接口控制器使這項任務大大地簡化了。可用的接口控制器有TI的TPS2370/TPS2371,Linear的LTC4257,以及Maxim的MAX5940A/MAX5940B。Maxim甚至將用于DC/DC轉換的PWM控制器也集成在了同一芯片中,這樣的芯片有MAX5941A/B、MAX5942A/B,利用它們可以設計出非常緊湊的PD供電電路。圖3給出了一個利用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%開關頻率,完全符合PoE規(guī)范的軟啟動特性。 結語
---以太網(wǎng)供電技術以其獨特的優(yōu)勢為VoIP和WLAN這兩個市場的發(fā)展增加了動力。而這兩個市場的迅猛發(fā)展也帶動了PoE技術走向市場的步伐。隨著PoE的實施規(guī)模逐漸擴大,它同時還會催生出一些新的應用和產品。在為這些應用和產品設計PD接口時,必須嚴格遵守標準規(guī)范,以確保和PSE的互操作性�，F(xiàn)在,利用集成化的PD接口控制器或接口加PWM控制器,這項任務已大大簡化了。 <!-- （Artesyn公司供稿） --> |
