1、以太網(wǎng)供電基本技術(shù)特征分折

以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)是一種能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜提供供電及傳送數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的設(shè)備例如網(wǎng)絡(luò)電話、保安系統(tǒng)攝錄機(jī)和無(wú)線局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都可采用PoE技術(shù)。

由于通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的電子設(shè)備無(wú)需依靠交流電，而且系統(tǒng)的整體成本也較低，因此PoE解決方案很快便大受市場(chǎng)歡迎。以網(wǎng)絡(luò)電話為例，采用不中斷電源供應(yīng)(UPS)技術(shù)可以保證供電更穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)浪涌電流、盜電、電力中斷等情況。此外，世界各地都普遍采用RJ-45連接器，因此各地的PoE設(shè)備可以兼容。采用PoE技術(shù)的電子設(shè)備不但具有管理上的靈活，而且還具備遠(yuǎn)程通、斷電能力。但以太網(wǎng)集線器的供電量以及以太網(wǎng)電纜的電流傳輸量畢竟有限。為確保兩者不出現(xiàn)過(guò)載，國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)特別為需要通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的負(fù)載制定802.3afPoE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保有關(guān)負(fù)載的電氣特性符合標(biāo)準(zhǔn)。

PoE是從中央交換機(jī)向以太網(wǎng)連接的設(shè)備(VolP電話、WLAN發(fā)送器、安全攝像機(jī))供電的方式。使用現(xiàn)有的CAT5電纜就無(wú)需交流供電(并省去配線開(kāi)支)。中央交換機(jī)還能夠控制用電設(shè)備的功率分配，可為重要系統(tǒng)提供復(fù)雜的不間斷的電源管理。

以太網(wǎng)供電工作三個(gè)基本功能：一個(gè)PoE負(fù)載或用電設(shè)備(PD)必須具備三個(gè)基本功能才可以與供電端的供電設(shè)備(PSE)連接。這三個(gè)功能分別是發(fā)現(xiàn)、分級(jí)及欠壓鎖定。

1.1發(fā)現(xiàn)階段-受電設(shè)備的檢測(cè)：

當(dāng)一個(gè)激活PoE的以太網(wǎng)電纜插入PD后，即當(dāng)受電設(shè)備(PD)被接入以太網(wǎng)鏈路時(shí)，PSE必須檢測(cè)每個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備是否需要電源？供電設(shè)備(PSE)會(huì)向PD發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號(hào)判斷PD的PoE是否被激活，因而PD必須表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備的特性，這一階段被稱(chēng)為發(fā)現(xiàn)階段。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD要求開(kāi)始于一個(gè)25kΩ和小于120nF的特征識(shí)別，正是這一特征使PSE通過(guò)測(cè)量其“檢測(cè)特征”-共模終端來(lái)檢測(cè)需要供電的設(shè)備，將PD從不需要供電的其它以太網(wǎng)設(shè)備中區(qū)分出來(lái)。PD只需要具有這些檢測(cè)特征，同時(shí)其鏈路處于檢測(cè)模式，則即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。也就是說(shuō)，供電設(shè)備(PSE)可以利用特征檢測(cè)功能，測(cè)量電纜阻抗的大小，以確定用電設(shè)備(PD)是否已連接。供電設(shè)備可以根據(jù)其內(nèi)部設(shè)定作出判斷，若阻抗的測(cè)量值介于23.75kΩ～26.25kΩ，便可斷定已連接用電設(shè)備。

PSE對(duì)PD檢測(cè)的具體方法有二。其一、為實(shí)現(xiàn)這種檢測(cè)，PSE通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)V-I(電壓-電流) 點(diǎn)和從它們之間的斜率來(lái)計(jì)算電阻以判斷端口的共模終端來(lái)檢測(cè)需要供電的設(shè)備.就是利用2.7V至10.1V的限流電壓探測(cè)信號(hào)線。表1列出檢測(cè)狀態(tài)下PSE對(duì)要被檢測(cè)為有效的PD必須具備的參數(shù)條件。表1參數(shù)之所以允許1.9V的串聯(lián)電壓偏移是因?yàn)橥ǔ２捎枚O管橋來(lái)控制電壓極性。每個(gè)PD會(huì)用到兩個(gè)這樣的二極管全橋(見(jiàn)圖1所示，為用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方框圖)，因?yàn)镻D必須向后兼容于中間PSE。而10μA的電流偏移是因?yàn)镻D內(nèi)部通常具有一定的泄漏。另外，通過(guò)表2給出了另外一系列參數(shù)條件，任何滿(mǎn)足這些條件的檢測(cè)都將判定以太網(wǎng)設(shè)備為一個(gè)無(wú)效的PD。

但由于許多新一代PoE設(shè)備所需的供電量往往超過(guò)目前的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，因此如LM5072芯片設(shè)有特別的功能，容許芯片利用輔助電源提供的供電，而且最高電流可以設(shè)定為800mA，使供電可高達(dá)25W。

其二、需要指出的是，在發(fā)現(xiàn)階段，PSE向PD釋放電壓斜波并尋找負(fù)載(25 kΩ)產(chǎn)生的一個(gè)特性阻抗。如果并未檢測(cè)到正確的阻抗，PSE假定負(fù)載的PoE并未激活并會(huì)關(guān)斷PoE的發(fā)送端。之后，系統(tǒng)將按照標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接方式工作。如果檢測(cè)到了阻抗信號(hào)，PSE將進(jìn)入分級(jí)階段。信號(hào)識(shí)別電壓是一個(gè)2.5 V至l0 V之間的斜波電壓。一個(gè)24.9 kΩ的電阻即能為發(fā)現(xiàn)階段提供正確的信號(hào)阻抗，見(jiàn)圖 2(a)所示。

1.2 分級(jí)階段：

PSE繼續(xù)向PD施加斜波電壓。

在15 V至20 V范圍內(nèi)，分級(jí)階段發(fā)生了。在電壓轉(zhuǎn)換期間，PD必須吸收一個(gè)特定的電流以確定器件的級(jí)別(見(jiàn)圖2(b)所示)。24.9 kΩ的識(shí)別電阻同樣可以進(jìn)行最簡(jiǎn)單的級(jí)別分級(jí)(CIass 0)。分級(jí)電流描述了PD在正常操作下所需要的功率大小。PSE則將這一信息輸送給控制器，使系統(tǒng)能夠確定PD所需的總功率。下表1顯示了分級(jí)電流及PD工作時(shí)對(duì)功率的要求。

1.3 開(kāi)啟階段：

分級(jí)階段后，當(dāng)欠壓鎖定(UVLO)線路被釋放及PD可以被供電后，PSE繼續(xù)抬高斜波電壓，最高到30V。此時(shí)需要軟啟動(dòng)電路來(lái)控制由PSE吸取的電流。圖2(c)顯示了一個(gè)典型的欠壓鎖定電路。

通過(guò)這個(gè)過(guò)程，PSE與PD共同決定了負(fù)載的特性并且僅會(huì)向具備PoE功能的設(shè)備供電。在中央的系統(tǒng)控制器能夠決定負(fù)載要求并且在UPS預(yù)算供電失敗的情況下根據(jù)實(shí)際需要合理分配功率。

2、通過(guò)以太網(wǎng)供電成本的節(jié)省應(yīng)用舉例

用DPA-Switch 芯片與分立設(shè)計(jì)成28-57VDC，通過(guò)以太網(wǎng)供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器。下面先對(duì)DPA-Switch 芯片性能及優(yōu)勢(shì)作介紹。

2.1 DPA-Switch'性能及優(yōu)勢(shì)

DPA-Switch'在一個(gè)CMOS芯片上集成了高頻功率MOSFET、PWM控制器、故障保護(hù)及其它控制電路，有效地節(jié)約了成本。其性能包括短路及開(kāi)環(huán)保護(hù)、可編程的限流點(diǎn)、輸入電壓欠／過(guò)壓保護(hù)、遲滯熱關(guān)斷、軟啟動(dòng)、反饋補(bǔ)償及遙控開(kāi)／關(guān)機(jī)。與傳統(tǒng)的分立設(shè)計(jì)相比，DPA-Switch芯片可節(jié)省20多個(gè)外圍元件，極大地節(jié)省了電路板空間及成本。

DPA-Switch特點(diǎn)：寬輸入電壓范圍為16 VDC到75 VDC并支持反激及正激式拓?fù)?；省去了所有外圍電流檢測(cè)電路；用于輸出過(guò)載／開(kāi)環(huán)保護(hù)的自動(dòng)重啟動(dòng)；電壓模式控制器可實(shí)現(xiàn)75％的占空比而無(wú)需斜波補(bǔ)償，并提供5-10 kHz的環(huán)路帶寬；具有輸入電壓欠壓(UV)檢測(cè)并達(dá)到ETSI標(biāo)準(zhǔn)與輸入電壓過(guò)壓(OV)關(guān)斷保護(hù)及低成本同步整流器，線電壓欠／過(guò)壓關(guān)斷保護(hù)限制了變壓器輸出的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓范圍；完全集成的軟啟動(dòng)達(dá)到最小的器件應(yīng)力／過(guò)沖；外部可編程的限流點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高效率低成本設(shè)計(jì)及功率控制；隨輸入電壓的變化可編程的最大占空比以保證在正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的磁芯復(fù)位。

綠色節(jié)能：空載(10 mA typ)及遙控關(guān)機(jī)時(shí)(2 mAmax)極低的能耗與輕載時(shí)跳頻操作可以實(shí)現(xiàn)待機(jī)時(shí)的高效節(jié)能。其封裝S、P及G均有無(wú)鉛封裝形式(100％磨砂錫)，符合Rolls規(guī)定及達(dá)到JEDEC的J-STD-020C標(biāo)準(zhǔn)。

典型應(yīng)用：可在PoE用電設(shè)備，如VolP電話、WLAN及WAP發(fā)送器、安全攝像機(jī)、條行碼掃描儀、警報(bào)系統(tǒng)及煙霧探測(cè)器等設(shè)備上應(yīng)用；又可在電信中央辦公設(shè)備如xDSL、ISDN、PABX等與分布式供電架構(gòu)(24／48 V公交車(chē)等)及工業(yè)控制(24／48 V) 等設(shè)備上應(yīng)用。

2.2 28-57VDC，通過(guò)以太網(wǎng)供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)組成

圖3為用DPA424P DPA-Switch 芯片與其它分立元器件組成的多路輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)圖?，F(xiàn)對(duì)各組成作分析。

組成1-簡(jiǎn)化的PoE接口電路：由包括發(fā)現(xiàn)識(shí)別阻抗的電路 (24.9 kW由2.5 VDC至10 VDC)與包括CIass 0級(jí)別分類(lèi)的電路(C1ass 1，2及3的方案也包括在內(nèi))及低成本的雙極性晶體管導(dǎo)通開(kāi)關(guān)(至少87％的效率)合成。

組成2（a）-集成的電流檢測(cè)線路及電流限流點(diǎn)：具有嚴(yán)格的經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)墓钆c無(wú)電流檢測(cè)電阻(更高效率)；高功率設(shè)計(jì)也無(wú)需電流傳感器，可使用X引腳電阻進(jìn)行限流編程，最多減少六個(gè)元器件，可節(jié)省達(dá)0.25美元?；蛴媒M成2(b)如果采用集成的啟動(dòng)線路，則更高效(不會(huì)有“自舉電路”的損耗)，最多減少4個(gè)元器件， 可節(jié)省達(dá)0.05美元。

組成3-集成的線電壓檢測(cè)線路：能準(zhǔn)確的溫度穩(wěn)定性并提供欠壓／過(guò)壓保護(hù)，最多減少10個(gè)元器件，可節(jié)省達(dá)0.20美元。

組成4-簡(jiǎn)單同步整流：用DPA Switch芯片為線電壓欠／過(guò)壓關(guān)斷保護(hù)限制了變壓器輸出的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓范圍?？晒?jié)省達(dá)0.05美元。

組成5(a)-集成的熱關(guān)斷保護(hù)線路：能直接感應(yīng)功率MOSFET溫度；具備遲滯特性且能自動(dòng)再啟動(dòng)；寬的遲滯防止高的平均溫度出現(xiàn)；最多可減少4個(gè)元器件；可節(jié)省達(dá)0.15美元。或用組成5(b)集成的電壓模式控制器：>50％占空比運(yùn)行而無(wú)需斜波補(bǔ)償；最多減少10個(gè)元器件；節(jié)省達(dá)0.15美元。

組成6精確集成的振蕩器-無(wú)需外圍元件；嚴(yán)格的公差并具有穩(wěn)定的溫度系數(shù)；可選300／400 kHz操作；最多減少5個(gè)元器件；節(jié)省達(dá)0．05美元。

組成7散熱器連接至源級(jí)：散熱片連接到源級(jí)降低EMI(電氣上的“安靜”點(diǎn))；降低EMI濾波器成本；節(jié)省達(dá)0.20美元。

3、新型以太網(wǎng)供電(POE)舉例

3.1超高集成度的POE電源以提升可靠性并降低尺寸和成本

它專(zhuān)為以太網(wǎng)供電(POE)系統(tǒng)的受電設(shè)備(IP電話，WLAN接入點(diǎn)和，IP相機(jī))和供電設(shè)備(交換機(jī)/路由器和中跨)而優(yōu)化的MAX5074。圖4(a)為MAX5074應(yīng)用示意圖。

提高了性能：采用同步整流效率超過(guò)90％；保證工作于高達(dá)+125℃結(jié)溫；高達(dá)15W的輸出功率。

提高了可靠性：無(wú)限期短路保護(hù)和打嗝式阻流降怔短路期間的功耗及熱關(guān)斷保護(hù)內(nèi)部功辜MOSFET。

降低了成本:“前瞻信號(hào)”驅(qū)動(dòng)副端同步整流器；無(wú)需復(fù)位繞組／二極管／電容器；故障保護(hù)無(wú)需外部元件。

降低尺寸要求：集成的功率MOSFFET和高達(dá)500kH：的開(kāi)關(guān)頻率降低外部元件的尺寸。

3.2專(zhuān)為以太網(wǎng)供電設(shè)計(jì)完全兼容于IEEE802.3af的新款電源開(kāi)關(guān)MAX5922

MAX5922高集成度方案節(jié)省板上空間和成本，IEE802.3af兼容更高的集成度／可靠性，更低成本。主要特性：內(nèi)置0.450功率FET；設(shè)計(jì)靈活，即檢測(cè)禁止輸入允許用戶(hù)跌過(guò)檢測(cè)和分類(lèi)階段，可選的欠流負(fù)載切斷功能，沖突避免檢測(cè)輸入允許用戶(hù)將器件配置為MiDSPan工作模式，可選的鎮(zhèn)定或自動(dòng)再試故障管理。圖4(b)為MAX5922引腳功能與應(yīng)用示意圖。

4、一件鐘種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單成本較低可用于PoE供電系統(tǒng)的DC／DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

從線路布局的角度看，反激式轉(zhuǎn)換器非常適合于PoE供電系統(tǒng)，而事實(shí)上反激式轉(zhuǎn)換器也最受歡迎。反激式轉(zhuǎn)換器不但設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)單，而且兼顧了成本和效率，適用于隔離式的多輸出供電系統(tǒng)，可為典型的應(yīng)用提供低至幾W、高至20W～30W的輸出功率。

雖然進(jìn)行低功率操作時(shí)，反激式轉(zhuǎn)換器通常都采用非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)，但連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)的效率最高，因?yàn)橐阅骋惠敵龉β蕿榛鶞?zhǔn)作比較，初級(jí)線圈場(chǎng)效應(yīng)晶體管的均方根(RMS)電流較小。以連續(xù)導(dǎo)電模式為例來(lái)說(shuō)，反激式轉(zhuǎn)換器的右半平面零的頻率下限可以利用以下公式計(jì)算：

在上述公式中，Vin為輸入電壓、D為初級(jí)線圈場(chǎng)效應(yīng)晶體管的占空比、lin為平均輸入電流，而L則為變壓器的磁化電感。上述采用連續(xù)導(dǎo)電模式操作，變壓器的磁化電感值一般均設(shè)定為100μH。若最低輸入電壓為26V、最高輸入電流為360mA，而初級(jí)線圈場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相關(guān)占空比數(shù)值為0.4，若根據(jù)以上的數(shù)值運(yùn)算，右半平面零無(wú)論在任何操作情況都會(huì)處于64kHz的頻率下限。對(duì)大部分PoE設(shè)備來(lái)說(shuō)，這個(gè)頻率下限對(duì)反饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)只會(huì)有微不足道的影響。

反激式連續(xù)導(dǎo)電模式不但設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本較低，而且還可發(fā)揮極高的效率，是PoE設(shè)備普遍采用的設(shè)計(jì)方案。由于LM5070、LM5071及LM5072等幾款控制器是高度集成的電路，因此供電系統(tǒng)只需添加極少的外置元件，便符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖5是PoE供電系統(tǒng)的典型應(yīng)用電路圖，圖中的電路采用LM5072芯片。這是一款內(nèi)置100VPoE用電設(shè)備接口并可支持后備電源的PWM控制器。采用LM5072芯片的好處是用電設(shè)備在選擇供電來(lái)源方面有較大的靈活性，例如不同配置的用電設(shè)備都可利用后備電源的供電，其中包括交流電。

以采用連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器的電路布局為例，采用快速PWM電流模式控制器會(huì)較為理想，因?yàn)檫@樣不但可以控制及限制輸入電流的流量，而且還可穩(wěn)定同一電路的輸出電壓。此外，也可調(diào)節(jié)功率晶體管的占空比，以便控制線路及電流的瞬態(tài)響應(yīng)。占空比的大小取決于輸出電壓的誤差及鋸齒波形，而兩者都取決于流人外置電流傳感電阻的初級(jí)線圈電感電流。

可將電流傳感信號(hào)與內(nèi)部參考電壓加以比較，以便為每一周期設(shè)定限流值。我們也可為電流斜波信號(hào)提供內(nèi)部斜率補(bǔ)償，以便解決占空比超過(guò)50％時(shí)分諧波振蕩所產(chǎn)生的內(nèi)部不穩(wěn)定問(wèn)題。