以太网供电方案

以太网供电（PoE）是于2003年6月批准通过的IEEE 802.3afTM标准供电技术，它利用现有的网络5类（CAT-5）数据电缆传输直流电源，在传递信号的同时也将电源传递给用电设备（PD），如IP电话、无线接入点及网络监控摄像头等，省去了本地电源。在PoE系统中，为PD提供电源的设备叫供电设备（PSE）。PD的功耗限制在12.95W，PSE输出功率限制为每个RJ-45端口15.4W。考虑到沿CAT-5以太网线（最长可达100米）传输的电压降，IEEE标准为PD和PSE规定了不同的额定功率。较长的电缆将产生较大的电压降，因此PSE的输出电压要高于标称的48V，以使PD获得足够的功率。 1 供电设备 根据IEEE 802.3af标准，PSE提供PD检测、分级、限流以及电源控制功能。一个有效PD需要具备25kΩ的探测特征，PSE控制器进行PD检测时，按照检测条件用一个2.8～10V的限流电压对信号线进行探测。通过测量V-I，利用斜率计算出端口电阻，对端口连接设备做出判断：有效PD、开路、低阻负载、高阻负载、大电容负载、正电源、负电源。为了避免损坏非PD设备，同时也为了防止输出短路时损坏PSE控制器，PSE在PD检测过程中需要限制电流，通常在2mA以内。另外，PSE还需要累计多个交流周期以便抑制50Hz/60Hz的电力线耦合噪声。 图1 以太网供电技术的最初推动力是VoIP，由于越来越多的以太网设备，如RFID阅读器、PDA充电器、移动电话、笔记本电脑等可以采用这种方便的供电方式，IEEEE802.3af标准定义了五个不同的功率级别，以便PSE高效地管理功率分配。完成PD检测后，PSE控制器将进入PD分级模式，为端口提供15.5V～20.5V电压，并检测进入端口的电流，根据表2所示IEEE 802.3af规定的PD分级标准，可确定PD的功率等级。Maxim推出的MAX5945网络供电控制器可以控制四个独立的端口，采用36引脚SSOP封装，能够实现PD检测、PD分级及AC/DC负载断接检测功能。图1给出了MAX5945的典型应用电路。 PoE网络可以采用端点（endpoint）或中跨（midspan）式PSE实现。端口PSE存在于网络连接的终端。对端点PSE和PD设备来说，电源是通过信号线对儿传输的。因为电源已经通过了以太网连接的端点上，这种PSE类型提供了一种简便的PoE方案，非常适合用来布署新的基础网络。需要对现有以太网进行升级时，可以用中跨PSE方式将电源插入到以太网中。中跨PSE可以通过CAT-5电缆中的“空闲线对儿”传输电源，如果只有几个以太网设备需要供电，这是一个最具成本效益的方法。MAX5945既可用于端点PSE，也可用于中跨PSE，如图2所示。 图2 2 用电设备 对于从以太网供电系统获得电源，用电设备必须符合IEEE802.3af标准规范，要求能够提供PD检测及可编程分级特性信号。PSE进行PD检测时，PD必须提供25kΩ和小于150nf的识别特征，以便PSE将PD从不需要供电的以太网设备中识别出来。分级特征代表PD的峰值功率损耗，要求在PSE向端口提供PD分级检测电压时能够吸收特定的电流，PD的分级电流对应于所示的5个功率等级。当端口电压达30V～40V时，PD处于欠压闭锁状态，以防产生检测和分级干扰。 Maxim针对PD端提供了集PD接口和DC-DCPWM控制器于一体的MAX5941，可用于隔离或非隔离的反激和正激转换器。MAX5941A/MAX5941B的PD接口符合IEEE 802.3af标准，可以为PD提供检测特征信号、分级特征信号和一个具有可编程浪涌电流控制功能的集成隔离开关，还具有宽滞后的供电模式欠压锁定（UVLO）以及“电源好”状态输出等功能。在检测和分级期间，集成的MOSFET提供PD隔离。MAX5941A/MAX5941B保证检测阶段的泄漏电流偏差小于10μA。可编程限流功能防止上电期间产生很高的浪涌电流。这些器件的供电模式UVLO具有宽滞后和长故障消隐时间等特性，以补偿电压在双绞电缆上的阻性衰减，并确保系统在检测、分级和上电/掉电诸状态间无扰动转换。 图3 MAX5941A/MAX5941B中的PWM电流模式控制器可用于设计反激式或正激式电源。电流模式简化了控制环的设计，同时提高了环路的稳定性。集成了高压启动调节器允许器件直接连接至输入电源，而无需外接启动电阻器。内部调节器提供的电流使控制器启动并开始工作。一旦第三绕组的电压建立起来，内部调节器就被关闭，而由第三绕组提供PWM控制器运行所需的偏置电流。内部振荡器被设定在275khz，并被微调至额定偏的%26;#177;10%以内。允许使用比较小的磁性元件以缩小电路板空间。图3所示为MAX5941的典型应用电路。图中，上半部分电路用来分离出PSE输送的-48V直流电源，两个二极管桥整流器（DF02SA）分别从端点或中跨PSE网络配置中获取电源。电阻器RDISC用于设置PD探测特征，当二极管桥的阻抗较高时，应采用较小阻值的RDIES来进行补偿。电阻器RCL用于确定PD的分级特征。栅极电容器CGATE用于设定浪涌电流。正激式DC-DC转换器提供5V输出电压。 在分级模式中，如果PSE提供最高直流电压，从GND至VRCL的最大压降为13V。如果42mA的最大分级电流通过MAX5941A/MAX5941B，则最大直流功耗将接近546mW，略高于IC在最高工作温度时的最大直流功能。不过，根据IEEE 802.3af标准，分级模式的持续时间被限制在75ms(最大值)内。MAX5941A/MAX5941B可以在最大持续时间内承受这个最大分级功耗，而不会造成任何内部损坏。如果PSE违反IEEE802.3af标准，超出了这个75ms最大分级时间，则有可能损坏IC。