利用LTPoE++標準實現微波通信設備的拉遠供電

黃付慶，趙憲臣，徐曉明

（1.總參信息化部駐濟南地區軍代室 山東 濟南 250101；2.山東泉清通信有限責任公司 山東 濟南 250101）

利用LTPoE++標準實現微波通信設備的拉遠供電

黃付慶1，趙憲臣2，徐曉明2

（1.總參信息化部駐濟南地區軍代室 山東 濟南 250101；2.山東泉清通信有限責任公司 山東 濟南 250101）

針對微波通信技術的特點，設計了一種采用數字基帶拉遠技術的微波通信設備，該設備是3G、4G網絡微基站技術在特定應用場景的進化。在設備基礎上論述了LTPoE++標準和傳統PoE標準的差異，提出并實現了一種基于LTPoE++標準的拉遠供電方案。設計采用Linear公司的以太網受電設備 （PD）控制器LT4275A和以太網供電設備（PSE）控制器LTC4266，共同組成穩定可靠的供電電路，以滿足微波通信設備的拉遠供電要求。實際工程應用表明：該設計簡單高效，可滿足不大于90 W的微波設備室外單元（類似微基站）的供電要求，提高了微波設備供電系統的可靠性和經濟性，具有較高的推廣價值。

LTPoE++；基帶拉遠；以太網供電；LT4275A；LTC4266

基帶數字拉遠技術是當前熱門的技術，在3G、4G網絡和數字微波設備中有大量實際應用。根據傳輸距離和應用場景的不同，傳輸介質可以是光纖或超五類線，這與同軸饋線相比節約了成本、降低了損耗，更重要的是室外單元可以依據環境要求更靈活的布放。但隨之而來的就是室外單元的供電問題，傳統的供電方案主要有3種：一是光電復合纜，二是復合超五類線，三是標準超五類線配合PoE技術。橫向比較3種方案，均存在一定的缺陷：方案一，成本高，應用場景受限；方案二，線纜整體的重量大，不易部署；方案三，提供的功率太低（最大25.5 W），無法滿足功耗較大的應用。

針對以上問題，本文提出一種適用于微波通信設備的拉遠供電方案，采用千兆以太網傳輸數據，配合LTPoE++標準在傳輸數據的信號線上同時對室外單元提供直流供電，最大功率可達90 W，精簡了供電單元的設計，降低了設備成本。文章所提出的原理和方法都已通過實際工程驗證，具有較高的推廣價值。

1 LTPoE++與PoE標準分析

1.1 PoE標準簡介

為擺脫在一些特定應用場景單獨配備外置電源的不便，IEEE在2003年發布了802.3af標準（即PoE標準），該標準允許通過一根以太網電纜為遠端設備供電，允許最大功率被限制在12.95 W。IEEE在2009年又通過了802.3at標準（即PoE+標準），將功率上限擴展到25 W［1］。

802.3at采用了更加詳盡的硬件分級機制，使PSE設備（供電設備）和PD設備 （受電設備）能夠相互識別。另外，802.3at還定義了一個新的數據層分級，采用LLDP協議實現PSE和PD的交互，并進一步實現功率動態調整［2］。

1.2 LTPoE++標準簡介

LTPoE++是Linear公司在2011年發布的專有標準，在原有PoE和PoE+標準的基礎上將功率擴展了4個等級，最高可達90 W。LTPoE++允許使用外置FET器件使散熱性能大幅提升，并提高了電源效率。基于此整個架構中只需要一個PSE設備配合一個PD設備，就能夠通過一根百米CAT-5e電纜提供高達90 W的功率［3］。

LTPoE++采用3類事件分級機制完成PSE和PD之間的識別交互，通過PD設備對3類事件分級機制的響應，PSE設備識別 PD設備是 I類 （PoE）、II類 （PoE+），還是 III類（LTPoE++）。LTPoE++另外一個突出的優點是對于軟件級功率協商機制的完善，傳統的LLDP協議要求擴展標準以太網堆棧，需要較大的軟件開發工作量，而LTPoE++允許將LLDP協議設定為可選項。在特定場景的應用中，如微波設備室內外單元這類專用的端到端的應用就可以放棄對LLDP協議的支持，這帶來了產品研制周期的縮短和BOM成本的降低。PoE、PoE+和LTPoE++的參數對照表如表1所示。

2 方案設計

目前市場上有多家芯片廠商能夠提供符合PoE（+）標準的PSE和PD器件。比如TI公司、Maxim公司都有多款產品可供選擇。但符合微波通信設備拉遠供電高功率要求的，目前市面上就只有Linear公司基于LTPoE++標準的PD控制器LT4275A和PSE控制器LTC4266。如圖1所示為微波設備室內外通信的完整框圖，總體分為室內單元和室外單元兩大部分。室內單元主要由接口及復分接模塊、基帶近端模塊、基帶接口模塊和PSE模塊組成，室外單元主要由基帶接口模塊、基帶遠端模塊、中頻模塊、設備模塊、天線和PD模塊組成。室內單元和室外單元通過標準CAT-5e線纜連接，使用全部的4對線纜同時傳送數據和電源，其中數據為標準的千兆以太網數據格式，電源為48 V直流供電，千兆以太網配合LTPoE++標準共同完成微波通信設備的基帶數字拉遠設計［4］。

表1 各標準參數對照表Tab.1 The standard parameter table

圖1 LTPoE++拉遠供電總體設計Fig.1 Overall design of LTPoE++

2.1 PSE模塊設計

根據標準，PoE供電需要經過完整一套檢測和分級動作，簡單來說PSE控制器主要完成檢測、分級、電源的管理和控制功能［5］。PSE的檢測電路不能因輕微外部條件的變化（如相位偏移、噪聲或連接松動等）影響探測PD。PSE工作時首先探測在網絡上運行的的用電設備，根據協議規定對該設備進行分級，之后就可以對PD進行供電，同時監測各項參數。本文的設計是典型的系統內部端到端的應用，可以取消對LLDP協議的支持，在一定程度上降低設計的工作量［6］。

設計中PSE控制器芯片選用Linear公司的LTC4266，其性能特點如下：

1）具備4個獨立的PSE通道，總共能夠提供最高達90 W 的LTPoE++電源；

2）提供用電設備探測、分級、限流以及負載斷開的檢測功能；

3）既可以通過外部硬件配置獨立工作，也可以通過I2C接口進行軟件控制；

4）具備AUTO、Semi-auto、Manual、Shutdown等4種工作模式；

5）支持2線對和4線對輸出功率。

在本設計中為了節省成本、降低設計工作量，采用AUTO工作模式和4對線輸出功率模式，LTC4266的原理設計框圖如圖2所示，芯片的詳細資料，請參閱參考文獻［7］。

2.2 PD模塊設計

本設計中PD控制器芯片選用Linear公司的LT4275A，其電路原理框圖如圖 3所示。LT4275A采用了專有的LTPoE++分級方案，可在網絡上提供38.7 W、52.7 W、70 W或90 W等功率級別。LT4275A的內部充電泵提供了一種N溝道MOSFET實現方案，替代了傳統的較大且更加昂貴的P溝道MOSFET，大幅降低了總的PD熱量，并最大限度地提高了電源效率，這在高功率級別應用時尤為重要。LT4275A具有一種熱保護功能，可避免其自身出現過熱現象。如果結溫超過了過溫門限，則將HSGATE和PWRGD引腳電平拉低，并暫停分級功能。

圖2 LTC4266原理框圖Fig.2 Block diagram of LTC4266

圖3 LT4275A原理框圖Fig.3 Block diagram of LT4275A

LT4275A可利用分級電阻器（RCLS和RCLS++）的不同配置以支持所有可能的PoE、PoE+和LTPoE++功率級別，從表 2中選擇RCLS和RCLS++阻值，并把連接到RCLASS、RCLASS++引腳和GND之間，注意電阻的誤差范圍必須控制在1%以內，以免影響分級電路的精確度。在分級模式下，PSE根據PD所消耗的功率對PD進行分級，有效管理功率的分配，芯片功能的詳細資料，請參閱參考文獻［8］。

3 設計中的問題分析

表2 分級代碼、功率級別和電阻器選擇表Tab.2 Classification codes，power levels and resistor selection

遵循LTPoE++標準的微波設備拉遠供電技術已經在實際工程中得到大量應用，經過測試，整體供電穩定、可靠性高，各項技術指標均滿足微波設備拉遠供電的整體設計要求。在研制和調試階段也暴露出一些問題，主要總結為以下注意事項。

3.1 元件布局問題

為避免在RCLASS和RCLASS++引腳上產生過大的寄生電容而影響分級準確度，必須確保將電阻器RCLS和RCLS++放置在盡量靠近LT4275A芯片的位置，建議距離不超過300 mil。

3.2 接口保護問題

LT4275A規定的絕對最大電壓為100 V，并專為耐受短暫的過壓進行了優化設計。但是與外界相連的那些管腳難免會遭受過高峰值電壓的沖擊。為保護芯片，必須在端口電壓與地之間放置一個TVS瞬態電壓抑制管，并且安裝在盡量靠近 LT4275A的位置，推薦 TVS瞬態電壓抑制管型號為SMAJ58A。

3.3 熱設計問題

本設計的功率高達90 W，需要考慮增加散熱，如加大PAD的面積，電源部分走線的加寬并單獨分層，使用特殊的外置MOSFET加速散熱。

4 結束語

基于LTPoE++標準的微波通信設備拉遠供電設計方案，采用千兆以太網傳輸數據，同時在信號線上對室外單元提供直流供電，最大功率達90 W，完全達到微波通信設備拉遠供電的設計要求。方案已經在多個微波通信產品中得到應用，具有設計簡單、成本低廉、性能穩定的優點。相比傳統的方案有以下2個創新點：

1）傳輸數據采用符合IEEE802.3協議的數據幀結構，接口標準、可靠；

2）采用標準CAT-5e電纜，同時傳送數據和電源，避免了傳統饋線需要數據線、電源線分離的不便，大大降低了系統成本和設備開通的難度。

［1］IEEE 802.3af.Data terminal equipment（DTE）power via media dependant interface（MDI）［S］.New York:IEEE Computer Society，June，2003.

［2］華為技術有限公司.PoE技術白皮書［EB/OL］（2007-10-08）［2015-04-01］.http://www.huawei.com/cn/products/datacomm/ pdf/view.do？f=267.

［3］劉佳，黃華.兼容IEEE802.3af的高功率以太網供電PD端設計［J］.現代電子技術，2008，31（5）:160-162，164.

［4］徐曉明，趙清瀟.基于千兆以太網的基帶光纖拉遠設計［J］.電子設計工程，2010，18（6）:113-115.

［5］劉凱，張立民，張兵強.PoE技術在座艙分布式數據采集系統中的應用［J］.電子設計工程，2010，18（11）:37-40.

［6］丁丁，黃成軍，沈昊.以太網供電技術研究［J］.自動儀表，2005，26（1）:5-8.

［7］Linear，Tecnology，Corporaion.LTC4266 LTPoE++PSE Controller［EB/OL］.（2009-06-06）［2015-04-01］.http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/4266fe.pdf.

［8］Linear，Technology，Corporation.LT4275A IEEE 802.3 and LTPoE++powered device（PD）controllers［EB/OL］.（2012-02-08）［2015-04-01］.http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/ 4275f.pdf.

Realization of digital microwave communication equipment based on LTPoE++standard remote power supply

HUANG Fu-qing1，ZHAO Xian-chen2，XU Xiao-ming2
（1.Military Representative Office in Ji'nan，Jinan 250101，China；2.Quan Qing Shandong Communication Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

According to the characteristics of microwave communication technology，the design of a microwave communication device with digital baseband，the device is a 3G，4G micro base station network technology in the specific application scenario evolution.The devices based on the LTPoE++standard and discusses the difference between the traditional PoE standard，proposes and implements a remote power supply scheme based on LTPoE++standard drawing.The design uses Linear's Ethernet power device（PD）controller LT4275A and Ethernet controller LTC4266 power supply equipment（PSE），composed of power supply circuit is stable and reliable，in order to meet the needs of microwave communication equipment remote power supply requirements.Application results show that the design is simple and efficient，which can meet the microwave equipment outdoor unit is not more than 90 W （similar to the micro base station power supply requirements）to improve the reliability and economy of power supply system of microwave equipment，has higher application value.

LTPoE++；baseband pulls distant；power on ethernet；LT4275A；LTC4266

TN925＋.91

A

1674－6236（2016）04-0140-04

2015-04-10 稿件編號：201504105

黃付慶（1983—），男，山東聊城人，碩士，工程師。研究方向：微波通信，衛星通信。