8口百兆POE工業以太網交換機設計

李濤　劉艷彬　劉文英

摘 要：本設計實現的8口100BASE-TX POE交換機遵循IEEE 802.3u 100BASE-TX，POE供電遵循802.3af和IEEE 802.3at標準，使用POE管理芯片，實現了由網口對外供電的功能，并且依據LLDP （Link Layer Discovery Protocol）協議自動檢測PD設備功耗值，供給PD合理電量，充分滿足后端受電設備的需求。

關鍵詞：以太網；POE；交換機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.121

1 引言

隨著智能終端設備的增多，傳統的供電方式布線復雜，安全隱患較多，功率損耗較大，維護困難；PoE （Power over Ethernet）技術應運而生，此技術在現有的以太網Cat.5布線基礎架構不作任何改動的情況下，為一些基于IP的終端傳輸數據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術[1]，實現“網電合一”。

2 POE交換機系統方案設計

本設計使用PD69208/PD69200芯片組與MARVELL的交換芯片88E6085實現POE交換機設計。

系統方案可以分為兩大部分：交換電路和POE電路，其中交換電路主要包括交換單元、DC/DC降壓電路模塊、系統復位電路、時鐘電路，接口電路、指示燈電路等；POE電路主要包括POE、Boost升壓電路模塊。PD69208是Microsemi八口PSE POE Manager， PD69200內嵌一顆CortexTX-M0+內核，PD69208/PD69200芯片組組成POE模塊，可以實現PD設備的實時檢測，從而為受電設備提供合適的電壓。系統框圖如圖1所示。

3 交換電路設計

（1）交換單元設計。交換單元是整個交換機的核心。交換機的存儲交換功能，全雙工、半雙工、自動協商工作模式、 MDI/MDI-X自適應、背壓流控等功能均是由交換單元實現的。

本設計中交換單元采用Marvell的Switch 88E6085作為交換芯片。

88E6085是Marvell的一款低功耗的10 Port快速以太網交換芯片，其內部Port0～Port7集成了10BASE/100BASE-TX PHY，Port9～Port10 支持MII接口，本設計中使用Port0～Port7用作100BASE-TX通信口，使用此芯片內部集成8個PHY，一方面節省成本，另一方面減少了外部PHY，使得設計簡單、PCB布線簡潔。88E6085中所有的PHY和MAC單元均符合IEEE802.3， IEEE802.3u，IEEE802.3x標準。另外88E6085具有1Mbit片上開關結構，實現了真正的非阻塞切換性能，并且支持多達2K的MAC地址自動學習和老化。

88E6085具有Link，Speed，Duplex Mode，Collision，and Tx/Rx Activies等狀態指示功能，本設計中使用RJ45通信接口因此只使用Link/Act和Speed指示功能，因此在交換單元設計中88E6085的功能配置中設置CONFIG_A=1，使LED指示模式為LED Mode3。LED Mode3的指示含義為：

Link/Act指示燈閃爍：指示TX/RX通信正常。

Link/Act指示燈常亮：指示已連接。

Link/Act指示燈滅：指示未連接。

Speed指示燈常亮：通信速率為100M。

Speed指示燈滅：通信速率為10M。

（2）DC/DC降壓電路設計。8口百兆POE交換機采用外部24VDC供電，本設計中交換芯片88E6085需要2.5V和1.2V電壓，因此需要采用降壓設計，24VDC通過DC/DC芯片TPS54340把24VDC轉成+5V，然后+5V經過兩片降壓芯片TLV62085RL分別把+5V電壓轉成+2.5V和+1.2V電壓，+2.5V電壓分別給交換芯片88E6085的VDDO、VDDAH、指示燈和網絡變壓器的中心抽頭供電， +1.2V電壓分別給交換芯片的VCC_CORD和VDDAL供電。TPS54340和TLV62085最大輸出電流均為3A滿足交換電路的功率需求。DC/DC降壓電路如圖2所示。

（3）外圍電路設計。時鐘電路設計中采用無源晶振作為交換芯片的時鐘源，產生25MHz參考時鐘信號。交換芯片88E6085的供電電壓為+2.5V和+1.2V，因此系統復位電路中采用的復位芯片選擇復位閾值為2.18V的復位芯片，在系統上電時產生低電平復位信號，使系統完成復位。

4 POE電路設計

IEEE802.3at，IEEE802.3af標準下的POE供電系統包括PSE（供電端設備）和PD受電端設備，PSE設備是為以太網客戶端供電的設備，也是POE以太網供電過程的管理者。PSE在為PD設備供電前，先提供一個低電壓檢測PD設備的特征電阻，來確認是否符合POE供電標準，PSE對符合IEEE802.3af標準的PD設備提供44～57V直流電壓，默認提供15.4W的功率，對符合IEEE802.3at標準的PD設備提供50～57V直流電壓，默認提供30W的功率。

（1）POE芯片選型。PD69208是一個集成了電源，模擬和邏輯狀態的8端口以太網供電管理芯片，該芯片履行IEEE802.3at，IEEE802.3af標準，并可以依照AT，AT標準，根據PD負載上產生的不同的電壓進行PD檢測。POE控制器PD69200是一個預編程的MCU， PD69208/PD69200芯片組通過過載、欠載、過壓，過熱，短路等保障機制為PD提供了實時保護，PD69208/PD69200芯片組依據IEEE802.3at，IEEE802.3af和POH標準，執行所有實時功能，包括PD檢測，AF，AT，POH分類，該芯片組組成的POE 設計方案滿足本設計中8口POE的設計需求。

（2）升壓電路設計。PD69208供電電壓范圍為32V～57V，因此需要使用升壓電路實現把外部供電24VDC升壓至48VDC；設計中POE供電兼容IEEE802.3at和IEEE802.3af，IEEE 802.af標準PSE端口輸出功率為15.4W，IEEE802.3at PSE輸出功率為30W，PD6920在IEEE802.3at標準下供電電流為10～600mA，并且IEEE802.3at向下兼容IEEE802.3af，因從升壓電路供電電流應大于5A（8*600mA=4800mA）。根據升壓電路輸出電壓電流的需求，本設計采用凌特的TLC3787芯片完成升壓功能。

TLC3787是一款寬電壓輸入多相同步升壓控制器，多相同步操作可以減少電源噪聲，提高效率，在實際電路測試中，升壓電路經過兩次升壓達到48V，第一次升壓至41.5V左右后再次升壓至48V左右。實際測試與仿真測試結果一致。LTC3787可以滿足8網口同時供電。升壓電路原理圖如圖3所示，升壓電路仿真圖如4所示。

5 接口電路設計

在以太網接口電路中，網絡變壓器在PHY芯片和RJ45之間起到了電氣隔離的作用，它隔斷了PHY和RJ45之間的物理連接，起到了靜電保護作用，在POE供電接口電路中，網絡變壓器也是必不可少的，它除了具有在普通以太網接口電路中的電氣隔離、阻抗匹配、信號耦合等作用外，還為POE提供DC直流供電。在IEEE802.3af標準下可以有兩種接線方法。在10BASE/100BASE-T通信中，只用到了2對雙絞線。第一種是利用空閑對4、5和7、8供電，其中4、5為正極，7、8為負極，傳遞48V電源。第二種是利用通信線傳遞信號的同時進行供電，其中3、6為正，1、2為負，由于信號的傳輸頻率與電源的頻率不同因此供電的同時不影響通信。本設計采用第二種利用通信線供電方式對PD設備進行供電。

6 結論

經過測試本交換機完成并實現了10/100M速率設置，半雙工、全雙工、自協商，MDI/MDI-X自適應，POE供電等多個功能，滿足了設計需要。

參考文獻：

[1]傅可揚.基于MAX5980芯片的POE網絡交換機設計[J].電子世界，

2013（16）：150-151.

[2]ANALOG DEVICE.PolyPhase Synchronous Boost Controller[EB/OL].http：//www.analog.com/cn/index.html.

[3]MARVELL.MV-S104212-00C-88e6085Datasheet[EB/OL].http：//www.marvell.com.

作者簡介：李濤（1982-），男，天津人，碩士，助理工程師，主要從事工業總線和工業以太網方向的研究工作。