以太網(wǎng)供電技術(shù)及受電端電路設(shè)計(jì)

鄧石梅 龍滬強(qiáng)

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)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(jī)、IP攝像機(jī)等一般至少需要2個(gè)接口:一個(gè)是電源接口，產(chǎn)品通過(guò)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(gè)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(lèi)產(chǎn)品需要額外的電源輸入，為產(chǎn)品的使用帶來(lái)不便［2］。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)理事會(huì)發(fā)布了IEEE 802.3af這一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它是現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.3af定義了以太網(wǎng)供電(power over Ethernet，PoE)的技術(shù)指標(biāo)，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(wèn)題，本文在分別分析IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程及其他電氣特性的基礎(chǔ)上，提出了一種可以通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)建立有關(guān)受電設(shè)備端的連接狀況、設(shè)備類(lèi)型和功耗等級(jí)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)定義了以下一些在設(shè)計(jì)PoE網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(guò)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(guò)400 mA。這將確保以太網(wǎng)電纜不會(huì)由于其本身的阻抗而導(dǎo)致過(guò)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(huì)產(chǎn)生不低于15.4 W的功率輸出，但是經(jīng)過(guò)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(huì)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(gè)級(jí)別，其中第3級(jí)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(duì)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(jìn)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(lái)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(lái)傳輸電源。

1.3 以太網(wǎng)供電過(guò)程

供電端設(shè)備PSE是整個(gè)以太網(wǎng)供電過(guò)程的管理者。當(dāng)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中布置PSE供電端設(shè)備時(shí)，以太網(wǎng)供電工作過(guò)程如下。

1.3.1 檢測(cè)過(guò)程

當(dāng)一個(gè)PSE接入以太網(wǎng)時(shí)，PSE檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中是否存在需要PoE的設(shè)備，且PSE必須用一個(gè)有限功率的測(cè)試源來(lái)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(gè)很小的電壓(2.7～10.1 V)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)線路的電流。當(dāng)有一個(gè)支持IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)備接入鏈路時(shí)，PSE將一個(gè)阻值為23.75～26.25 kΩ的電阻串聯(lián)到鏈路中。這樣整個(gè)電路的電流將產(chǎn)生變化，PSE檢測(cè)到這個(gè)變化的電流時(shí)就會(huì)認(rèn)為它是一個(gè)有效的受電設(shè)備。

1.3.2 PD 設(shè)備端分類(lèi)

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

1.3.3 供電過(guò)程

在啟動(dòng)期內(nèi)(可配置的時(shí)間，一般小于15 μs)，PSE設(shè)備開(kāi)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(méi)有超過(guò)15.4 W的功率消耗。

1.3.4 斷電過(guò)程

當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)上去掉PD設(shè)備時(shí)，PSE會(huì)快速(一般在300～400 ms的時(shí)間之內(nèi))停止對(duì)PD設(shè)備供電，并重新開(kāi)始檢測(cè)線纜的終端是否連接PD設(shè)備。在整個(gè)過(guò)程中，PD設(shè)備功率消耗過(guò)載、短路、超過(guò)PSE的供電負(fù)荷等原因均會(huì)造成整個(gè)以太網(wǎng)供電過(guò)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(cuò)、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(qǐng)參考IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)。

2 受電設(shè)備端電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)受電端時(shí)，必須遵循上述規(guī)范。此外，在一個(gè)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(méi)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(dāng)PoE輸入時(shí)，PD端需要將PoE電源提取出來(lái)，PD端可能面對(duì)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(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線進(jìn)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(dá)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(lái)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(gè)二極管橋［7］分別對(duì)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(shí)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(cè)

根據(jù)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義，作為PD受電端，需要有一個(gè)阻值為23.75 ～26.25 kΩ 的電阻串聯(lián)到鏈路中，供PSE檢測(cè)用。在本設(shè)計(jì)中，選用美國(guó)國(guó)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(gè)24.5 kΩ的電阻。在PSE檢測(cè)期(2.7～10.1 V)，芯片 LM5072 可自動(dòng)輸出一個(gè) 24.5 kΩ 的電阻;當(dāng)檢測(cè)完成后，隨著電壓的升高，LM5072將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉24.5 kΩ的電阻輸出，減少電源的損耗。

2.3 功率等級(jí)

當(dāng)PSE完成對(duì)PD端的檢測(cè)后，需要對(duì)PD端的功耗進(jìn)行分類(lèi)。PSE端會(huì)輸出一個(gè)14.5～20.5 V的電壓，以檢測(cè)PD端的電流值。LM5072內(nèi)部集成了一個(gè)功耗分類(lèi)的電路。當(dāng)電壓在13～23.5 V時(shí)，PoE的兩端可以檢測(cè)到電阻 Rclass;當(dāng)電壓高于 23.5 V時(shí)，LM5072將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電阻Rclass的輸出，減少電源的損耗。根據(jù)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義，電阻Rclass的阻值將決定PD端的功耗級(jí)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(fù)載電流大于PSE端的最大輸出電流而導(dǎo)致PSE停止對(duì)PD供電，可使用LM5072的CS腳來(lái)檢測(cè)變壓器初級(jí)線圈的電流狀況，并對(duì)輸入電源的電流進(jìn)行限制。電流檢測(cè)功能通過(guò)一個(gè)位于MOSEFT和RTN腳之間的感應(yīng)電阻Rsense就可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。由于Rsense必須是無(wú)感的，并且必須使用一個(gè)低通濾波器來(lái)減少開(kāi)關(guān)噪聲，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)易的RC濾波器來(lái)實(shí)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(gè)RC濾波器，并將信號(hào)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(jí)端。因此，本方案通過(guò)將LM5072 MH-80的FB腳連接到ARTN腳來(lái)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(hào)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大后，經(jīng)過(guò)光耦隔離將反饋信號(hào)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(fù)極通過(guò)一個(gè)二極管直接連到PoE的正負(fù)極上。這種配置一般用于輔助電源電壓與PoE工作電壓類(lèi)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(fù)極通過(guò)二極管連接到隔離變壓器初級(jí)線圈，這樣輔助電源并不需要經(jīng)過(guò)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(yuǎn)低于PoE的工作電壓，這時(shí)后向配置就變得非常合適，同時(shí)因?yàn)檩o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?yàn)長(zhǎng)M5072內(nèi)部集成的MOSEFT能對(duì)PoE的電流進(jìn)行限制，所以也需要輔助電源的電流不能流過(guò)LM5072內(nèi)部的MOSEFT。

此外，由于使用了輔助電源，當(dāng)輔助電源接入系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行限流和EMC抑制。最常用的方法是使用一個(gè)可恢復(fù)保險(xiǎn)絲進(jìn)行限流，同時(shí)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(dāng)環(huán)境溫度為25℃以及工作電流為1 A時(shí)，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(dāng)環(huán)境溫度為25℃以及工作電流為1 A時(shí)，MBRS1100T3的前向電壓將近0.7 V。

2.7 LM5072 電路

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

2.8 電壓轉(zhuǎn)換

根據(jù)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)到相應(yīng)的隔離標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)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(jìn)行整流，使用低正向電壓的肖特基二極管來(lái)提高電源轉(zhuǎn)換的效率。

當(dāng)輸入PoE電源時(shí)，PoE通過(guò)一個(gè)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(guò)一個(gè)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(gè)MOSEFT，通過(guò)此MOSEFT將模擬地連接到PoE－，從而形成一個(gè)環(huán)路。

2.9 測(cè)量數(shù)據(jù)

將上述電路應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，經(jīng)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 PoE輸入時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measuring data for PoE input

表3 輔助電源輸入時(shí)測(cè)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(hào)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(lái)自同一個(gè)變壓器，所以VDD5(5 V電壓的網(wǎng)絡(luò)名)將會(huì)隨著3.3 V和5 V輸出負(fù)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(huì)大于5 V。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)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(jì)的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)PoE輸入時(shí)電源的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%左右。當(dāng)12 V直流輔助電源輸入時(shí)，由于其電壓較低導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低，但是仍然可以達(dá)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(jì)中充分考慮了EMC、Safety等相關(guān)測(cè)試，使設(shè)計(jì)電路能夠順利通過(guò)CCC、UL等相關(guān)認(rèn)證測(cè)試。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可支持更大功率輸出的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)也正在推出，其中等級(jí)4可支持PD端獲得高達(dá)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(lái)進(jìn)行供電［9－10］。

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