應用于校園的PoE電源的設計

呂 露，黃 濤，袁航空

(1.武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074;2.烽火科技集團武漢虹信通信科技有限公司，湖北 武漢 430074;3.世紀民生科技股份有限公司武漢群茂科技有限公司，湖北 武漢 430074)

責任編輯:魏雨博

當前，校園安全是全社會關注的焦點，它與每個學生、家長、老師都有著密切的聯系。隨著科學技術的進步，越來越多通信及安防技術在校園中得到了應用。但是隨著用電設備的增加，用到電線的地方越來越多，電線表面的絕緣體是膠質的，易老化破損，在使用中不可避免會發生磨擦，加速了電線的破損，極易引起火災、造成觸電事故。另外，電線的安裝敷設是一項非常需要專業知識和技能的工作，國家明文規定，安裝電線和電氣設備必須由專業電工操作。對此，PoE電源的安全性、敷設的簡易性等優勢得到人們的廣泛關注。

1 PoE電源工作原理

以太網供電 (Power over Ethernet，PoE)是指在現有的以太網布線基礎架構下，不需要電線就可以用同一條以太網電纜為基于以太網的終端設備供電并傳輸數據信號。PoE系統主要由供電設備PSE(Power Sourcing Equipment)和受電設備PD(Powered Device)構成。目前已經定義了兩種供電方式，分別為模式A和模式B。通過數據對(1/2、3/6)給PD供電被稱為模式A(如圖1)。由于直流48 V與數據頻率不同，互不干擾，所以可以在同一對線上既傳數據又傳電源。1/2相連，既可為正也可為負，3/6反之。模式B(如圖2)是通過空閑線(4/5、7/8)傳輸電源。4/5為正，7/8為負。一般來說，標準的PD必須支持兩種受電方式，而PSE只需采用任意一種供電方式即可［1－2］。

圖2 供電方式B

標準PoE電源供電方式有5個步驟，分別為:

1)設備檢測。檢測PD是否支持 IEEE 802.3af/802.3at標準。

2)功率分級。由于PD種類較多，所需要的電源功率不同，所以當PSE設備檢測到PD設備之后，需要為PD進行分類，評估此PD需要的功率。

3)正常供電。

4)電源管理。實時監控并管理PD受電設備，為其提供穩定、可靠的48 V直流電。

5)斷電。當檢測到PD設備斷開時，PSE設備就會快速地停止供電［3］。

2 低成本PoE電源設計方案

目前有很多成熟的PoE管理芯片及解決方案，需要結合MCU來實現整個PoE方案，在保證了安全的同時也造成了較高的價格。現在設計一種低成本的PoE電源，即去掉管理芯片及相應的軟件也可以通過較為便宜的硬件電路實現輸入過壓、輸出過流、過壓保護、輸出短路保護等安全措施。本文以60 W雙口PoE電源為例(最大輸出可達70 W)，每口的最大功率30 W，效率≥87%，電壓調整率≤±0.5%，負載調整率≤±2%，輸出紋波及噪音≤100 mV。采用以空閑線傳輸電源的供電方式B。

2.1 AD/DC主電路設計

AC/DC電源采用單端反激電路(如圖3)，先經整流濾波，交流220 V變成直流，由PWM控制器進行脈寬調制，經高頻變壓器變成高頻交流，再經整流濾波產生直流48 V。

U1為UC2845，是一種高性能的固定頻率電流型PWM控制器，自帶欠電壓鎖定、過電壓保護、過電流保護等保護功能［4］。Q2 為Infineon 生產的SPA06N80C3，其VDS=800 V，ID=6 A ，RON－DS=0.9 Ω，低導通電阻有利于提高電源的效率。取樣反饋電路由U2、U4及周邊的電阻、電容構成。U2為PC817型光電耦合器，具有上下級電路完全大于等于隔離的作用，減少了電磁干擾，抗干擾能力較強。U4為三端可調穩壓管TL431。

穩壓效果好是本電路最主要的特點。電路的反饋環路工作過程如下:當輸出電壓升高時，分壓電阻兩端電壓VR38升高，即接到U4的參考輸入端的電壓升高，后與其內部的2.5 V基準電壓作比較，U4陰陽極間電壓VKA降低，流過PC817型光耦的發光二極管電流增大，通過“電－光－電”的轉換，U2集射極間電壓變低，U1的1腳(UC2845內部的誤差放大器輸出端)電平變低，占空比減小，傳輸到次級線圈和自饋線圈的能量減小，最終，輸出電壓被降低。反之亦然，總的效果是實現輸出電壓保持恒定，不受電網電壓或負載變化的影響。該電路不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調穩壓管TL431和線性光耦PC817做外部誤差放大器，比UC2845內部的誤差放大器精度高，使得輸出電壓在負載發生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化，具有很好的穩壓效果。

圖3 AC/DC簡化電路圖(截圖)

2.2 保護電路

為了提高電源的安全性，還需增加幾個保護電路，包括:防雷電路、輸入過壓保護電路、輸出過電壓、過電流保護電路等。

2.2.1 防雷電路

防雷電路(如圖4)由保險絲F1、壓敏電阻MOV1、MOV2、MOV3(型號:TVR20621)和氣體放電管Z(型號:2R600)組成，雷電防護等級10 kA。交流輸入火線經保險F1與零線接壓敏電阻MOV1，當交流輸入L、N電壓過高時，MOV1短路，保險管F1熔斷，從而保護后級電路。當交流輸入受到雷擊，氣體放電管Z1瞬間放電，L通過MOV2，N通過MOV3與Z1一起對地泄放雷擊電流，可以泄放10 kA電流，從而保護后級電路。

圖4 防雷電路

2.2.2 輸入過壓保護電路

經過電阻分壓，R36的電壓大于2.5 V時，TL431輸出級導通，R46兩端電壓降低，Q3通，UC2845A的1腳被下拉，UC2845A輸出端關閉(如圖5)。

圖5 輸入過壓保護電路

2.2.3 輸出過電壓、過電流保護電路

U7為電壓比較器，對電阻參數進行調整，可以設置理想的保護點(如圖6)。

圖6 輸出過電壓、過電流保護電路

U7A為輸出過壓部分的比較器，其中

當輸出電壓升高時，一旦VR37＞VREF，電壓比較器輸出低電平，D8導通，光耦中發光二極管的電流變大，光電三極管導通，UC2845的1腳為低電平，PWM鎖存器復位，關閉輸出。這時，UC2845的腳6無輸出，MOS管Q2截止，從而保護了電路。

U7B為輸出過電流保護電路的電壓比較器，其中Iout取自主電路中取樣電阻R63、R64并聯處，電壓為負值。輸出過流保護電路的原理與過電壓保護電路類似，該電路還采用了PI調節器，提高響應速率。

3 低成本非標PoE電源應用方案

PoE電源使一些小型網絡設備，例如VoIP設備、WLAN的接入點AP、視頻監控網絡攝像頭等基于IP的終端設備，可以利用網線傳輸數據信號的同時直接獲得電源，不必再單獨鋪設電力線。這樣大大簡化了布線，保證了用電安全、降低了建設費用、節省了使用空間。另外，若結合UPS電源，還可以使網絡設備免受電網掉電的影響，在停電的時候仍然可以運轉。

目前，幾乎所有的高校會在宿舍樓的多個地方安裝視頻監控攝像頭，對不良人員起到一定威懾作用;由于無線局域網(Wireless Local Area Network，WLAN)采用無線數據通信，不僅對有線連網方式進行了補充和擴展，還使網上的計算機具有可移動性，在校園里得到了廣泛應用，每棟宿舍樓都覆蓋了一定數量的接入點(Access Point，AP)設備。另外，雖然目前VoIP技術在我國沒有受到政策的支持和保護，但是在校園網內使用還是非常有前景的。據了解，目前AP設備和槍式攝像機的最大功率一般不超過30 W，VoIP電話所需的功率則更小，并且由于網線能夠允許的電流不是太大，傳輸能力也跟距離有關，所以本文設計的帶各種保護功能、每口最大可提供30 W功率的低成本PoE電源非常適合于用電設備較集中、功率不太大但用電設備較多而又有一定成本壓力的校園。

本文設計的電源在實際生活中已得到應用，除了用電安全、施工方便外，它還有非常好的抗干擾、防雷性能。網線本身很容易受到磁場的干擾，但是采用PoE電源供電后就不需要再單獨敷設220 V的電源了，這樣便減少了對信號的干擾、降低了信號的衰減。另外，由于使用了不超過100 m的網線對設備進行集中供電，在雷雨天氣，該網線上不易形成感應電勢，擊壞用電設備中的電子元器件，有效保證了用電設備的使用壽命。在使用PoE電源時可以根據實際需要選擇多口的PoE電源，這樣既節省成本也便于管理。

4 結束語

“以人為本，平安為先，加快建設平安校園”絕不是一句空洞的口號，每個人都應該為此做出一些努力。低成本PoE以太網供電技術可以很好地應用在對安全要求較高、用電線路改造成本控制較嚴的場合，有一定的現實意義。如何提高PoE電源的功率、效率、穩定性并進一步降低成本是人們需要繼續研究的課題。

［1］IEEE 802.3at—2009［EB/OL］.［2012－07－01］.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.3at－2009.html.

［2］韓景生，孫國強.以太網供電技術的研究與應用［J］.儀器儀表學報，2005，26(8):493－494.

［3］黃繼文，張勁松，彭星波.以太網供電技術［J］.低壓電器，2011(22):40－43.

［4］Current Mode PWM Controller.［EB/OL］.［2012－07－01］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/Uc2845.pdf.