兼容IEEE802.3at的高功率以太網(wǎng)供電的設(shè)計(jì)與分析

王 蕾,楊 鑄

(武漢郵電科學(xué)研究院,430074)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，很多設(shè)備都要求同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接和電源供電支持，然而很多設(shè)備安裝在距離機(jī)房較遠(yuǎn)地方，為每個(gè)設(shè)備提供一套外置電源會(huì)大大增加組網(wǎng)成本，為了解決此類問題，IEEE在2003年6月通過了IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)--以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了供電設(shè)備可以通過以太網(wǎng)向功率在13W以下的受電設(shè)備供電，但隨著雙波段接入、視頻電話等高功率應(yīng)用的出現(xiàn)，13W已經(jīng)不能滿足需求，故IEEE在2009年通過了新的PoE標(biāo)準(zhǔn)802.3at（PoE Plus）以提高以太網(wǎng)供電的功率，滿足高功率應(yīng)用的要求。

1 IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)簡介

為了遵循IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)，受電設(shè)備(PD)上的PoE功耗被限制為12.95W，當(dāng)高功率應(yīng)用出現(xiàn)時(shí)，13W的供電功率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，從而限制了以太網(wǎng)供電的應(yīng)用范圍、為了克服PoE供電的功率瓶頸，并將其推向新的應(yīng)用，IEEE對IEEE802.3at實(shí)現(xiàn)的可能性進(jìn)行評估，于2009年通過了802.3at標(biāo)準(zhǔn)，在新的IEEE802.3at中將功率高于12.95W的設(shè)備定義為class4，可將功率水平擴(kuò)展到25W或更高，由于能支持更高的功率，802.3at標(biāo)準(zhǔn)能將PoE應(yīng)用很容易的擴(kuò)展到新的領(lǐng)域。

802.3 at標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)新的數(shù)據(jù)層分級，稱為LLDP(Link Layer Discovery Protocol,即鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議)，用于PSE與PD的通信。當(dāng)鏈路層上電，PSE與PD將使用LLDP來確定PSE可提供功率和PD的功率需求，并運(yùn)行PSE反復(fù)查詢PD，以動(dòng)態(tài)了解PD的功率需求，有了該機(jī)制，就可以實(shí)現(xiàn)功率的動(dòng)態(tài)分配，PSE可以隨PD的功率波動(dòng)調(diào)整供電功率，PD也可以提出并放棄之前的功率請求。

表1

802.3 at與802.3af相比，可輸出2倍以上的電力，單個(gè)端口的輸出功率在30W以上，可以擴(kuò)展PoE的應(yīng)用范圍，二者在功率、分級、線纜上有不同的定義，如表1所示：

2 PoE的構(gòu)成和工作原理

一個(gè)完整的PoE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備PSE(Power Sourcing Equipment)和受電端設(shè)備PD(Power Device)二部分，PSE是用來給PD設(shè)備進(jìn)行供電的設(shè)備，同時(shí)管理整個(gè)以太網(wǎng)供電過程，PSE可以分為二種，即端點(diǎn)設(shè)備(End point,PoE功能在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)里面集成)和中間跨接設(shè)備(Midspan,一種沒有交換機(jī)功能的中間設(shè)備)，PD受電設(shè)備則是消耗PSE電能的。

IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以太網(wǎng)供電可以采用網(wǎng)線中的數(shù)據(jù)線1,2,3,6四根線供電，也可以采用備用線4,5,7,8供電， 如圖1所示。IEEE802.3at 標(biāo)準(zhǔn)不允許采用四對線纜同時(shí)供電， PSE只能選擇其中一種線纜供電方式，而PD需同時(shí)支持這兩種線纜供電方式。

圖1 數(shù)據(jù)線對和空閑線對供電方式

3 方案設(shè)計(jì)

先介紹一種可以支持多種功率的電源設(shè)計(jì)方案，最高達(dá)90W,主要由一下幾個(gè)部分組成;PSE接口控制器、以太網(wǎng)供電電源數(shù)據(jù)合并及分離電路、PD接口控制器。

3.1 PSE設(shè)計(jì)

根據(jù)IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)，PoE供電需要經(jīng)過一系列的檢測和分級才能對設(shè)備供電；當(dāng)建立供電機(jī)制后，需要監(jiān)控PD的供電情況，在必要的時(shí)候需要PSE斷開對PD的供電；具體過程大致分為檢測、分級、供電和斷電，802.3at標(biāo)準(zhǔn)采用了比802.3af更加詳盡的硬件分級機(jī)制和數(shù)據(jù)層機(jī)制使PSE和PD設(shè)備能夠相互識別，有了這種識別能力，供電設(shè)備(PSE)就可以合理的向受電設(shè)備(PD)供電，802.3af受電設(shè)備也可以由802.3at設(shè)備供電，并且802.3at受電設(shè)備能夠知道它能夠得到其較大負(fù)載的全部功率。

PSE控制器檢測電路不能由于偏移、噪聲和連接抖動(dòng)等影響PD的發(fā)現(xiàn)，PSE工作時(shí)首先檢測網(wǎng)絡(luò)上是否有PD設(shè)備，然后按照功率等級對設(shè)備進(jìn)行分級，然后對PD供電，同時(shí)監(jiān)控供電的情況，對PD的后續(xù)狀態(tài)做出判斷和相應(yīng)的處理。

設(shè)計(jì)中使用Linear 的以太網(wǎng)供電（PoE）接口控制器LTC4274,能夠提供最高達(dá)90W的LTPoE++的電源并兼容LTPoE++的受電設(shè)備(PD)，該芯片提供用電設(shè)備偵測、分級、限流以及交流或直流負(fù)載斷開的探測。兼容IEEE802.3at的type1(13W)和type2(25.5W)的端點(diǎn)跨度PSE、中間跨度PSE系統(tǒng)；其內(nèi)部有底開通內(nèi)阻的MOSFET管和0.25Ω的用于檢查電流等級的檢測電阻， 由于其內(nèi)阻小，才為其低功耗提供了可能。LTC4274擁有通用的I2C接口，14-bit的電流控制ADC，可編程的電流限制DAC，通用的快速關(guān)斷SHDN端口，其接口電路如圖2所示：

圖2 基于LT4274的PSE接口電路

3.2 電源數(shù)據(jù)傳輸電路

電源數(shù)據(jù)合并傳輸電路如圖3所示，根據(jù)IEEE802.3at的要求，是可以使用數(shù)據(jù)線或者空閑線供電(此時(shí)硬件上只用選擇其中一組即可)，但是當(dāng)PSE提供的功率高于38.7W的時(shí)候，單獨(dú)的數(shù)據(jù)線或者空閑線供電時(shí)，單根傳輸線承受不了那么大的電流，故LTPoE++私有協(xié)議中將數(shù)據(jù)線和空閑線同時(shí)供電以滿足大功率的要求。在圖3中選用MIDCOM WURTH 749022016變壓器，用于Midspan PSE數(shù)據(jù)和電源的合并傳輸。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號先隔離共模信號，再通過網(wǎng)絡(luò)變壓器耦合到網(wǎng)線的另一端，這樣網(wǎng)線與PSE電源適配器無物理上的連接，PSE電源適配器上通過壓敏電阻提供2KV的耐壓，起到了防雷保護(hù)作用，Bob smith電阻提供給網(wǎng)絡(luò)端口任意二對查分信號間提供150Ω的阻抗匹配，同時(shí)釋放共模信號。

電源數(shù)據(jù)分離電路類似合并電路，為防止電源適配器產(chǎn)生的噪聲干擾數(shù)據(jù)信號及其它設(shè)備，同樣使用MIDCOM WURTH 749022016變壓器，變壓器將PSE送過來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波，通過電磁場的轉(zhuǎn)換，再隔離共模信號送到另一端，完成信號的分離，再將數(shù)據(jù)信號從 RJ45端口接出去，電源信號則經(jīng)過整流橋，使PD能夠在主輸入端或者備用輸入端接受任一極性的電源。

圖3 電源數(shù)據(jù)合并電路

3.3 PD設(shè)計(jì)

IEEE802.3at允許PSE使用網(wǎng)線中的數(shù)據(jù)線傳輸電源，還允許使用備用線對PD進(jìn)行供電，PD要能支持二種供電方式， 當(dāng)在高達(dá)90W功率下工作時(shí)，由于單根傳輸線的電流承受能力有限，將使用LTPoE++私有協(xié)議，使用數(shù)據(jù)線和空閑線同時(shí)傳輸電源，PD可以接受任一極性的電源，通過橋式整流電路整流，以完成電源的配置，整流橋后的SMAJ58A TVS二極管用于防止電源正、負(fù)極變化對電路的影響；0.1uf電容和24.4K(VPORT和GND內(nèi)部)的特征阻抗，因?yàn)樗玫幕贔DMQ8203組成的整流橋，阻抗比IEEE規(guī)定的小，所以特征阻抗為24.4K,PD的控制電路如圖5所示。

接口電路采用了linear最新的LTC4275，為PD提供完整的PoE功能，兼容IEEE802.3af、IEEE802.3at在高于25.5W應(yīng)用下將使用LTPoE++。

在檢測模式下，PSE在Uin上施加二個(gè)2.8～10V電壓，然后記錄響應(yīng)電流，PSE隨后測量出ΔU/ΔI,確定存在25 K的特征電阻和。

在分級模式下，PSE根據(jù)PD所消耗的功率對PD 進(jìn)行分級，有效的管理功率分配，如表2所示。LTC4275分級電阻兼容IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)需要使用超過25.5W的功率時(shí)，則兼容LTPoE++自有標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)使用的是Type 1的PSE時(shí)，在探測模式完成后，將會(huì)施加一個(gè)15.5V～20.5V的分級電壓，從而得到一個(gè)電流，完成分級；當(dāng)使用Type 2 PSE可以通過硬件二級分類事件(施加二個(gè)15.5V～20.5V的分級電壓)或與數(shù)據(jù)鏈路層的高速信號線通信來分級PD，PSE則根據(jù)分級電流來區(qū)分PD所需要的功率，只要在IEEE802.3af、IEEE802.3at或者LTPoE++的范圍內(nèi)，PD就會(huì)進(jìn)入供電模式，分級電流則會(huì)被斷開。

表2 LTC4275分級電阻分級電流功率表

圖4 電源數(shù)據(jù)分離電路

圖5 PD接口控制電路

4 PCB layout注意事項(xiàng)

(1)為了防止過大的寄生電容RCLS和RCLS++盡量靠近LT4275，為了保護(hù)LT4275安裝SMAJ58A抑制輸入電壓瞬變，SMAJ58A盡量要靠近LT4275。

(2)當(dāng)功率高于25.5W時(shí)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(dú)分層，使用特殊的外置MOSFET和電阻器和變壓器來加速散熱。

5 結(jié)語

以太網(wǎng)供電技術(shù)作為一種具有開放性、創(chuàng)新性的供電技術(shù)，改變了以往以太網(wǎng)設(shè)備的供電方式，面對越來越大的功率需求，802.3at協(xié)議還不足以滿足需求，在不久的將來可能會(huì)開放四對雙腳線支持供電以解決大功率供電的需求；隨著技術(shù)日漸完善，應(yīng)用范圍也將越來越廣，存在的問題將不斷被解決。

本來介紹了一種兼容802.3at的25w的大功率應(yīng)用，最高可達(dá)90W(linear 私有協(xié)議LTPoE++下)，為大功率以太網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)參考，由于使用中間跨接方式，能在低成本的條件下靈活升級，該方案在產(chǎn)品升級中能解決很多以太網(wǎng)產(chǎn)品供電問題。

[1]IEEE 802.3at-2009.http://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html

[2]劉敬武 孫秀山 魏國勛.PoE技術(shù)簡介及應(yīng)用分析[J].科技信息，2013.6:311-312.

[3]劉佳.黃華.兼容IEEE802.3af的高功率以太網(wǎng)供電PD端設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2008.5:160-164.

[4]于濤.陳凱.王鵬.POE在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢.電信網(wǎng)技術(shù),2011.9:76-80.

[5]David Morrison Power Chips Reach For High Power and New Features[J].Power Electronics Technology,2007(3):48-49.