如何设计兼容现今产品并着眼未来的 PoE 受电设备

如何设计兼容现今产品并着眼未来的PoE受电设备IEEE802.3af以太网供电(PoE)标准描述了如何通过以太网CAT-5电缆分配最高达12.95W的功率，以便网络设备能在没有AC电源线的情况下工作。IEEE委员会正在定义一个可提供更高功率的类似标准。目前，802.3af功率是由供电设备(PSE)提供，PSE管理功率分配并区分需要供电的用电设备(PD)和不需要供电的纯数据设备。由于PSE的检测方法可以实现上述区分，所以用户可以在其现有网络上部署PoE，而不会损坏纯数据以太网设备。图1：图3所示PD实例的I-V曲线。阴影区域显示IEEE限定的检测、分级和接通范围以及作者推荐的范围。因PD可以放置在没有AC电源插座的地方，并从集中放置的不间断供电电源(UPS)获得功率，因此给终端用户带来了极大益处。PD需要遵循802.3af的以太网供电接口和DC/DC转换器。但是，由于集成电路不能克服PoE的所有挑战：有些问题必须在板级和系统级解决。此外，一个解决方案不能适用于所有情况，设计师要能够在保持可互操作的同时根据其应用的需求定制解决方案。为了帮助设计师在满足应用需求的同时遵循802.3af标准并满足互操作性要求，本文列出了PD设计面临的多种难题，并用电路实例来说明可能的解决方案。大多数针对PD的IEEE802.3af标准都可以用图1所示的PDI-V曲线来描述。该曲线分成3个电压范围：2.7V至10.1V是检测范围；14.5V至20.5V是分级范围；30V至57V是供电范围。在这些范围里，PD的行为是受IEEE标准控制的，不过这些范围之间的过渡区域对互操作性来说也同样重要。PSE在检测范围进行探查以区分具有25k?电阻的PD和具有150?共模终端的非受电设备。在分级范围内，PD的电流根据它工作所需功率的大小而不同。当输入或端口电压超过30V时，PD开始从电缆获得功率以使其余电路工作。在大多数PD中，来自以太网端口的48V输入被转换成适用于PD电路的3.3V或2.5V。图2和图3显示的电路实现PD的全部PoE接口，其中包括DC/DC转换。这样一来，PoE接口就成了一个自含式电源，从而容许PD设计师把精力集中于使其PD与众不同的电路和软件上。与电缆链接图2：从以太网电缆获得PoE功率和10/100数据的以太网磁铁实例。连线CT1-CT4连接到图3的输入端。PD的PoE接口和以太网PHY都必须连接到RJ-45插座上(参见图2)。75?共模终端电阻是AC耦合的，因此它们不干扰PoE。该终端连接到电缆的共模扼流圈端，这样扼流圈的电感和高AC阻抗不会影响该终端的阻抗。这些通路上的配线和电路板走线需要特别注意，它们需要保持低电阻。电路板采用宽走线并紧密放置元器件，以缩短走线长度。在磁铁(T1-T6)中，就确保DC电流不使T5或T6饱和以及不堵塞数据传输而言，控制线电阻尤其重要。自耦变压器T1和T2必须一起缠绕，以便中央抽头与该线对两条线之间的电阻相同。即使T1和T2的缠绕十分完美，电缆电阻仍然可以引起一些DC差分电压。通过让T1或T2的电阻低于扼流圈T3和T4以及数据变压器T5和T6的电阻，磁铁能吸引所产生的DC电流流经T1或T2。图2说明了这一点，图中较宽的线代表低电阻连线。把PD连接到备用线对非常简单，因为这些连线不传输数据，如图2所示，无需磁铁。(就把数据放在备用线对上的千兆以太网而言，把PD连接到图2中作为数据线对的那个相同磁铁上。)一旦磁铁从电缆获取功率和数据，那么无论是从备用线对还是从数据线对上看，PD都是一样的。实际上，就两种电压极性和两个线对而言，我们对PDI-V曲线的要求也是相同的。图3中D1-D8组成的一对二极管电桥把来自两个线对的信号组成一个单极性输出，容许一个遵循802.3af标准的PD接口(由图3中的LTC4267控制--LTC4267PoE为一受电设备控制器)为两个输入线对和两种极性提供服务。除了二极管电桥，图2还有一个保护PD输入的瞬态电压抑制器(TVS)，因为振铃、过冲瞬态和静态电流以及地电位差等可能给电缆加上数百或数千伏的电压。由于电缆具有高达0.05μF的电容和低串联电感及电阻，所以这些电压所代表的能量可能相当大。瞬态电压抑制器可以吸收大部分能量，但是其余PoE接口必须设计成在TVS限制电压之前，能够抵挡住比工作电压范围高出20V至30V的电压。图3：遵循802.3af的PoE接口和DC/DC转换器实例图。检测在建立PoE连接的过程中，检测是第一步也是最重要的一步。PD具有25k?共模电阻，而非用电设备具有150?电阻或开路共模终端。在2.7V和10.1V之间，PD必须具有25±1.25k?检测特征电阻。除了图3中与LTC4267一起画出的电阻本身，二极管电桥是PD25k?检测特征电阻的最重要部分。这些二极管的正向电压使特征电阻上的电压产生了偏移，IEEE标准要求这个偏移小于1.9V(对于在-40oC温度下工作的硅二极管足够了)。如图4所示，这些二极管的非线性串联电阻影响特征电阻。反向偏置电桥二极管会有泄漏，两个并联二极管的泄漏在10.1V反向偏置时必须低于IEEE规定的10μA。如图4所示，LTC4267通过集成和优化特征电阻以补偿二极管电桥和它自己的电源电流，极大地减轻了这些问题，减轻了设计师的负担。分级表1：IEEE802.3afPD级别(注意PD的0级和4级没有列出，也不应该采用。)成功检测之后，大多数PSE会对PD分级以确定该用电设备会消耗多少功率。分级提高了PSE的功率管理能力，容许PSE用同样瓦数的电源为更多PD供电。例如，9个消耗功率为5W被定为3级的PD就最大限度地利用了一个150W电源的功率，因为该PSE必须向每个3级PD分配15.4W功率。如果同样的PD定为2级，那么该PSE会向每个PD分配7W功率，其150W功率可以给21个PD供电。用表1可以为PD选择合适的级别，选择最大持续功率和峰值电流低于PD相应参数的最低级数(1、2或3)。分级是由PSE完成的，它强迫端口电压进入分级范围，然后测量PD电流。在整个分级区域，PD的电流必须符合表1所列的3个范围之一。尽管802.3af标准规定在检测和分级之间有超过5V的电压，但是这5V电压的大部分都被二极管正向电压(VF)随温度的变化给消耗掉。最高温度时，二极管的VF大约是0.5V，而最低温度时这个电压大约为0.9V。注意图1中典型I-V曲线的斜坡。如果检测与分级之间的过渡处理得不够平滑，那么可能发生振荡，因为PD的分级电流可能使端口电压降低到分级范围之外。即使有来自PSE的稳定电压，PD电流的迅速变化加上电缆100m的电感也可能引起振铃。电压在20.5V以上时断开分级电流所产生的负电阻可能引起更严重的振荡和互用性问题。为了最大限度地提高互用性，PD应该尽力实现平滑单调的I-V曲线，如图1所示。加电进PD接通并开始从电缆获得功率，PD设计就变得更加复杂了，因为PoE接口、DC/DC转换器和其余的PD电路要一起配合工作，并保证遵循802.3af标准。LTC4267就有为实现这种合作所需的两个最重要的部分：PoE接口和DC/DC转换器。图4：显示二极管电阻对PD检测特征影响的检测I-V曲线。LTC4267一直等到输入达到36V时才开始获得功率，并把浪涌电流限制到140mA(参见图1)。通过等待输入达到36V，LTC4267在其接通(36V)和断开(30V)电压之间加上了6V的迟滞。如果端口电压由于LTC4267消耗电流的提高而降低，那么这一迟滞能防止LTC4267的断续振荡。一旦PD加电，LTC4267就切换到375mA的限流值，从而容许PD从电缆获得12.95W的满功率。具有较高浪涌电流限制的PD将需要一个更大的迟滞(802.3af最高容许12V)以防止振荡。如果PD能在PSE400mA至450mA的电流限制下于50ms内加电，那么就不需要自己限流。不需要自己限流或在50ms内加电的PD将由其它设备来关断自己的电源。LTC4267这样的PD控制器集成电路采用电流限制和称为“电源良好”的功能来确保PD顺利加电。这种控制器的电源良好输出在CIN充电到端口电压之前，保持其余PD电路断开。如图3所示，在VPORTN和POUT之间的电压低于1.5V之前，LTC4267的PWRGD引脚阻止其DC/DC转换器工作。采用电源良好信号对DC/DC转换器来说是很重要，因为提供恒定输出功率的转换器在其输入电压下降时会消耗更大的电流。如果转换器在低电压时断开，由于它消耗电流较大，可能降低CIN充电速度甚至阻止其充电。因此，电源良好功能或其它一些延迟DC/DC转换器接通的方法对PD成功加电至关重要。获得功率50ms启动时间一到，PD的CIN就应该充电到VPORT(低于二极管电桥VF的2倍)，而且PD的功耗必须低于它所在级别的最高功耗(参见表1)。PD还必须用保持功率特征(MPS)信号表明其继续存在。如果没有MPS信号，那么PSE会关断电源，防止带电电缆插入不接受功率的以太网设备。MPS具体体现为一个10mA或更高的DC电流和一个低于26.35k?、与超过0.05μF电容并联的阻抗。极少有PD需要特殊电路提供MPS。在大多数情况下，PD正常工作所用的CIN、DC/DC转换器阻抗和电流能满足802.3afMPS的需求。遵循能源之星规定的PD以及其它功率很低的PD(如恒温器等功耗可能在应用中引起问题的PD)容许给出超过10mA的MPS电流脉冲达75ms，而脉冲间隔可高至250ms，这样可把功率降低到大约100mW。与MPS一样，在大多数情况下，保持在分级限制内是由PD的DC/DC转换器和从该转换器获得功率的电路来处理的。设计师必须确保PD电路消耗的功率永远低于表1中相应级别的功率。负载电路不可能消耗12.95W，因为PoE接口(大多数是在二极管电桥)和DC/DC转换器损耗了功率。采用低泄漏肖特基二极管可以降低二极管电桥的损耗。图3中，LTC4267的PoE接口消耗的功率低于180mW，VPORTN和POUT之间的1.6?RONMOSFET损耗200mW功率，剩下12.07W=12.95W-0.50W-0.18W-0.20W。这12W中有多少提供给PD电路还要取决于DC/DC转换器的效率。隔离图3中在DC/DC转换器有关的最重要方面是输入与输出之间的隔离。大多数PD需要隔离的DC/DC转换器，因为802.3af标准要求以太网插座引脚与PD之外的其它任何导电部分隔离。隔离的DC/DC转换器满足这一隔离要求，其余PD电路可以设计成没有附加隔离措施。绸缪未来几乎是802.3af以太网供电标准刚一发布，用户就开始要求更高功率了。13瓦对于基本IP电话来说足够了，但是就机动化相机、多重无线接入点和具有大型彩色显示屏的产品而言，13瓦功率让它们受到了严重限制。为此，IEEE已经新成立了一个名为PoE+的研究小组，该小组将制订新标准，容许更高功率的设备与今天提供的802.3af设备共存。尽管普通CAT5电缆包括4个双绞线对，但是802.3af标准在任何时候都只允许两个线对携带电流。一个可选方案是允许额外电流流过第三和第四线对，从而使可用功率翻倍。第二个可选方案是提高电流限度，容许在两个线对上传送更高的功率。现在这两种方法每种都在专用PoE系统中出现了。但是，每种方法都有自己的缺点，因此难于在它们之间做出选择。利用所有4个线对有可能给受电设备(PD)提供最高功率，因为这种方法利用了电缆中的所有传导能力，最大限度地降低了端到端电阻和电阻带来的功率损耗。但是，给所有4个线对供电差不多使端口控制器电路的成本翻了一番，因为4线对PSE必须为每套线对提供检测和故障控制。而4线对PD必须限制从每个线对获得的电流，而且即使输入线对之间的电压相差非常大时，也必须保持电流平衡。两线对方法避免了成本和电流平衡问题，只需要对今天802.3af设计中已经就绪的电路做很少的修改。两线对设计的问题是电缆延长时的功率损耗，因为与4线对方法相比，只有一半连线携带电流。损耗的功率引起电缆发热，给连接器插针和接插板走线增加