以太網(wǎng)供電技術(shù)及受電端電路設(shè)計

鄧石梅 龍滬強

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引言

傳統(tǒng)的基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品，如IP電話機、IP攝像機等一般至少需要2個接口:一個是電源接口，產(chǎn)品通過此接口接收外部電源輸入，從而使產(chǎn)品能正常工作;另一個是以太網(wǎng)接口，用于產(chǎn)品與外界產(chǎn)品的通信［1］。由于該類產(chǎn)品需要額外的電源輸入，為產(chǎn)品的使用帶來不便［2］。

IEEE標準理事會發(fā)布了IEEE 802.3af這一國際標準，它是現(xiàn)有以太網(wǎng)標準的擴展標準。IEEE 802.3af定義了以太網(wǎng)供電(power over Ethernet，PoE)的技術(shù)指標，它使產(chǎn)品直接使用以太網(wǎng)接口接收外部電源成為可能。

為了解決具有以太網(wǎng)接口的小型功率設(shè)備供電不便的問題，本文在分別分析IEEE 802.3af標準中的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)構(gòu)成、以太網(wǎng)供電傳輸方式、以太網(wǎng)供電過程及其他電氣特性的基礎(chǔ)上，提出了一種可以通過以太網(wǎng)來獲取電源的解決方案。

1 以太網(wǎng)供電技術(shù)原理

1.1 以太網(wǎng)供電系統(tǒng)構(gòu)成

一個完整的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)由提供電力的供電設(shè)備端(power sourcing equipment，PSE)和使用電力的受電設(shè)備端(powered device，PD)這2部分組成。兩者基于IEEE 802.3af標準建立有關(guān)受電設(shè)備端的連接狀況、設(shè)備類型和功耗等級等信息的通信。供電設(shè)備端以受電設(shè)備端的這些信息為依據(jù)，通過以太網(wǎng)向受電設(shè)備端供電。

1.2 以太網(wǎng)供電傳輸方式

IEEE 802.3af標準定義了以下一些在設(shè)計PoE網(wǎng)絡(luò)時必須遵循的參數(shù)［3－4］。

PSE輸出電壓正常情況下為48 V，一般在44～57 V之間，但不能超過60 V。

由PSE產(chǎn)生的工作電流最大值不得小于350 mA，但一般不超過400 mA。這將確保以太網(wǎng)電纜不會由于其本身的阻抗而導(dǎo)致過熱。基于最低44 V電壓輸出和350 mA的電流輸出，使得PSE在其端口會產(chǎn)生不低于15.4 W的功率輸出，但是經(jīng)過以太網(wǎng)電纜傳輸后的損耗，受電端設(shè)備PD所能接受的最大功率將會有所下降。

PD端的輸入電壓范圍為36～57 V，可用輸入功率分為4個級別，其中第3級最大可用功率為12.95 W。

傳輸介質(zhì)使用目前使用非常廣泛的非屏蔽雙絞線，典型代表是具有4對共8根電纜線的CAT-5型電纜［5－6］。

選擇以太網(wǎng)雙絞線的數(shù)據(jù)線進行供電，有A、B這2種模式。A模式采用以太網(wǎng)電纜中的1、2、3、6這4根數(shù)據(jù)線(1、2線為發(fā)送數(shù)據(jù)線，3、6為接收數(shù)據(jù)線)來傳輸電源，B模式采用以太網(wǎng)電纜中未定義到的4、5、7、8這4根數(shù)據(jù)線來傳輸電源。

1.3 以太網(wǎng)供電過程

供電端設(shè)備PSE是整個以太網(wǎng)供電過程的管理者。當在一個網(wǎng)絡(luò)當中布置PSE供電端設(shè)備時，以太網(wǎng)供電工作過程如下。

1.3.1 檢測過程

當一個PSE接入以太網(wǎng)時，PSE檢測網(wǎng)絡(luò)中是否存在需要PoE的設(shè)備，且PSE必須用一個有限功率的測試源來檢查特征電阻，避免將48 V電源加給不兼容PoE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，造成危害。

PSE在端口向鏈路輸出一個很小的電壓(2.7～10.1 V)，并實時檢測線路的電流。當有一個支持IEEE 802.3af標準的受電端設(shè)備接入鏈路時，PSE將一個阻值為23.75～26.25 kΩ的電阻串聯(lián)到鏈路中。這樣整個電路的電流將產(chǎn)生變化，PSE檢測到這個變化的電流時就會認為它是一個有效的受電設(shè)備。

1.3.2 PD 設(shè)備端分類

在檢測到受電端設(shè)備PD之后，供電端設(shè)備PSE就會按PD設(shè)備的需要進行分類，并評估此PD設(shè)備所需的功率損耗。為了檢測PD的功率損耗，PSE輸出一個14.5～20.5 V的電壓，并檢測電流值。這時PD同樣會串入一個電阻，這個電阻將直接決定受電設(shè)備的最大功耗。

1.3.3 供電過程

在啟動期內(nèi)(可配置的時間，一般小于15 μs)，PSE設(shè)備開始從低電壓向PD設(shè)備供電，直至提供48 V的直流電源，滿足PD設(shè)備沒有超過15.4 W的功率消耗。

1.3.4 斷電過程

當從網(wǎng)絡(luò)上去掉PD設(shè)備時，PSE會快速(一般在300～400 ms的時間之內(nèi))停止對PD設(shè)備供電，并重新開始檢測線纜的終端是否連接PD設(shè)備。在整個過程中，PD設(shè)備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等原因均會造成整個以太網(wǎng)供電過程在中間中斷。

1.4 其他電氣特性

IEEE 802.3af里還定義了其他的電氣特性，包括隔離、容錯、阻抗平衡、共模輸出電壓、數(shù)據(jù)線之間的輸出噪聲、差模噪聲電壓和回波損耗等［3］，具體請參考IEEE 802.3af標準。

2 受電設(shè)備端電路設(shè)計

在設(shè)計以太網(wǎng)受電端時，必須遵循上述規(guī)范。此外，在一個非常好的以太網(wǎng)受電端產(chǎn)品中，不僅需要支持輔助電源輸入，以備在沒有PoE的環(huán)境中也能使用輔助電源輸入，而且也需要較高的電源轉(zhuǎn)換效率和較低的物料清單(bill of materials，BoM)成本。

2.1 PD端PoE電源提取

當PoE輸入時，PD端需要將PoE電源提取出來，PD端可能面對A模式或B模式這2種情況。

在A模式中，PoE電源選用以太網(wǎng)信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線進行傳輸，所以需要從以太網(wǎng)隔離變壓器的中心抽頭取電。由于PoE電流可能達到400 mA，因此，隔離變壓器也需要選用專用的、支持PoE功能的以太網(wǎng)隔離變壓器來保證PoE電流的正常傳輸。

在B模式中，PoE電源選用的是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線未用到的數(shù)據(jù)線。

使用2個二極管橋［7］分別對A模式和B模式取電，最終提取出PoE直流電源PoE+和PoE－［8］，其中J1為以太網(wǎng)輸入時所用的連接器RJ45，T1為以太網(wǎng)隔離變壓器。

PD端PoE電源提取示意圖如圖1所示。

圖1 PD端PoE電源提取示意圖Fig.1 PoE power extracted at PD port

2.2 PD受電端狀態(tài)檢測

根據(jù)IEEE 802.3af標準定義，作為PD受電端，需要有一個阻值為23.75 ～26.25 kΩ 的電阻串聯(lián)到鏈路中，供PSE檢測用。在本設(shè)計中，選用美國國家半導(dǎo)體公司的LM5072芯片作為PD端的主控芯片，LM5072內(nèi)部已集成了一個24.5 kΩ的電阻。在PSE檢測期(2.7～10.1 V)，芯片 LM5072 可自動輸出一個 24.5 kΩ 的電阻;當檢測完成后，隨著電壓的升高，LM5072將會自動關(guān)閉24.5 kΩ的電阻輸出，減少電源的損耗。

2.3 功率等級

當PSE完成對PD端的檢測后，需要對PD端的功耗進行分類。PSE端會輸出一個14.5～20.5 V的電壓，以檢測PD端的電流值。LM5072內(nèi)部集成了一個功耗分類的電路。當電壓在13～23.5 V時，PoE的兩端可以檢測到電阻 Rclass;當電壓高于 23.5 V時，LM5072將會自動關(guān)閉電阻Rclass的輸出，減少電源的損耗。根據(jù)IEEE 802.3af標準定義，電阻Rclass的阻值將決定PD端的功耗級別［3］，其阻值如表1所示。

表1 Rclass阻值Tab.1 Resistance of Rclass

2.4 電流限制

為防止PD端負載電流大于PSE端的最大輸出電流而導(dǎo)致PSE停止對PD供電，可使用LM5072的CS腳來檢測變壓器初級線圈的電流狀況，并對輸入電源的電流進行限制。電流檢測功能通過一個位于MOSEFT和RTN腳之間的感應(yīng)電阻Rsense就可簡單實現(xiàn)。由于Rsense必須是無感的，并且必須使用一個低通濾波器來減少開關(guān)噪聲，可以使用一個簡易的RC濾波器來實現(xiàn)。后向配置電路如圖2所示，感應(yīng)電阻Rsense是R8，而R7與C21形成一個RC濾波器，并將信號送至CS腳。

圖2 后向配置電路Fig.2 Rear configuration circuit

2.5 反饋電路

在隔離應(yīng)用中，通常將誤差放大器功能置于隔離次級端。因此，本方案通過將LM5072 MH-80的FB腳連接到ARTN腳來關(guān)閉LM5072 MH-80的誤差放大器。反饋電路如圖3所示，反饋信號通過反饋網(wǎng)絡(luò)放大后，經(jīng)過光耦隔離將反饋信號傳送到COMP網(wǎng)絡(luò)，即LM5072 MH-80的COMP腳。

圖3 反饋電路Fig.3 Feedback circuit

2.6 輔助電路輸入

輔助電源輸入有2種方式可以選擇，一種是前向配置，另一種是后向配置。

前向配置就是將輔助電源的正負極通過一個二極管直接連到PoE的正負極上。這種配置一般用于輔助電源電壓與PoE工作電壓類似的情況，所以需要輔助電源的工作電壓較高。

后向配置是將輔助電源的正負極通過二極管連接到隔離變壓器初級線圈，這樣輔助電源并不需要經(jīng)過LM5072內(nèi)部MOSEFT，所以輔助電源的工作電壓可以較低。

在很多情況下，輔助電源的電壓遠低于PoE的工作電壓，這時后向配置就變得非常合適，同時因為輔助電源的電壓較低，導(dǎo)致與PoE相比支持同樣功率的電源需要更大的電流。因為LM5072內(nèi)部集成的MOSEFT能對PoE的電流進行限制，所以也需要輔助電源的電流不能流過LM5072內(nèi)部的MOSEFT。

此外，由于使用了輔助電源，當輔助電源接入系統(tǒng)時，需要進行限流和EMC抑制。最常用的方法是使用一個可恢復(fù)保險絲進行限流，同時采用共模扼流圈有效抑制電源的空氣輻射和傳導(dǎo)輻射。輔助電源前端電路如圖4所示。

圖4 輔助電源前端電路Fig.4 Front end circuit of auxiliary power supply

由于輔助電源的正極與PoE+之間的二極管是輔助電源電流的必經(jīng)之地，為提高輔助電源的能源轉(zhuǎn)換率，可以使用較低前向電壓的肖特基二極管。另外，二極管的反向電壓必須大于PoE的電壓，以防二極管被擊穿。

從提高效率考慮，可以選擇VISHAY公司的VB40100C。當環(huán)境溫度為25℃以及工作電流為1 A時，VB40100C的前向電壓低于0.4 V。從成本考慮，可以選擇ON Semiconductor公司的MBRS1100T3。當環(huán)境溫度為25℃以及工作電流為1 A時，MBRS1100T3的前向電壓將近0.7 V。

2.7 LM5072 電路

LM5072是整個PD端的控制器，它負責PoE輸入通信、PWM輸出控制和反饋輸入并調(diào)整PWM脈沖，以實現(xiàn)正確的電壓輸出。

2.8 電壓轉(zhuǎn)換

根據(jù)IEEE 802.3af標準定義，一般產(chǎn)品都必須滿足IEC 60950～1:2001 6.2所定義的隔離標準，即產(chǎn)品的電氣絕緣至少要能夠抵擋住有效值為1 500 V的絕緣脈沖。為了達到相應(yīng)的隔離標準，PoE電路需要采用隔離變壓器饋電，反饋電路采用光耦隔離輸入。

通過PoE變壓器DA2257AL可以推出多組電源輸出:輸出3.3 V并提供2 A的電流、輸出5 V并提供1 A的電流、輸出10 V并提供0.05 A的電流。其中10 V輸出可供LM5072芯片使用。

PoE變壓器DA2257AL輸出的3.3 V和5 V電壓并不能直接使用，而是需要使用二極管進行整流，使用低正向電壓的肖特基二極管來提高電源轉(zhuǎn)換的效率。

當輸入PoE電源時，PoE通過一個電感后連接到隔離變壓器的主線圈上，主線圈的另一端通過一個功率MOSEFT連接到模擬地，即 LM5072的 ARTN與RTN腳。LM5072內(nèi)部集成了一個MOSEFT，通過此MOSEFT將模擬地連接到PoE－，從而形成一個環(huán)路。

2.9 測量數(shù)據(jù)

將上述電路應(yīng)用到實際產(chǎn)品中，經(jīng)測試表明，該方案不僅支持以太網(wǎng)供電輸入，也支持直流電源12 V±10%輸入。

測試數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 PoE輸入時測量數(shù)據(jù)Tab.2 Measuring data for PoE input

表3 輔助電源輸入時測量數(shù)據(jù)Tab.3 Measuring data for auxiliary power supply input

由表2、表3可以看出，電壓2輸出的5 V電壓值變化較大，這是由于反饋電路是從3.3 V信號上取樣，以保證3.3 V電壓的穩(wěn)定輸出;而3.3 V和5 V這2種電壓均來自同一個變壓器，所以VDD5(5 V電壓的網(wǎng)絡(luò)名)將會隨著3.3 V和5 V輸出負載的情況而變化，但在1 A的電流輸出范圍內(nèi)，電壓輸出一般會大于5 V。

3 結(jié)束語

本文通過對IEEE 802.3af標準的分析，提出了一種基于LM5072芯片的完整的、可行的以太網(wǎng)設(shè)備端解決方案。基于此方案設(shè)計的產(chǎn)品，經(jīng)過測試，當PoE輸入時電源的轉(zhuǎn)換效率達到80%左右。當12 V直流輔助電源輸入時，由于其電壓較低導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低，但是仍然可以達到75%左右，完全可以滿足系統(tǒng)9 W左右的電源需求。另外，由于在設(shè)計中充分考慮了EMC、Safety等相關(guān)測試，使設(shè)計電路能夠順利通過CCC、UL等相關(guān)認證測試。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，可支持更大功率輸出的IEEE 802.3at標準也正在推出，其中等級4可支持PD端獲得高達29.4 W的功率輸入，使更多的較大功率的產(chǎn)品也可以使用 PoE來進行供電［9－10］。

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