以太網(wǎng)供電關(guān)鍵技術(shù)在大功率設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葉 晨，錢國(guó)明

(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

以太網(wǎng)供電關(guān)鍵技術(shù)在大功率設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葉 晨，錢國(guó)明

(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

隨著互聯(lián)網(wǎng)通信終端設(shè)備的多元化發(fā)展，各類終端設(shè)備的功耗參差不齊，需要對(duì)終端設(shè)備功耗進(jìn)行精確分級(jí)和可靠供電，這對(duì)有源以太網(wǎng)的供電技術(shù)提出了嚴(yán)格的要求，為此設(shè)計(jì)了一種適合在極端工作環(huán)境下的高穩(wěn)定性以太網(wǎng)供電(PSE)裝置。通過(guò)PSE電源管理芯片對(duì)受電設(shè)備進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)、功率分級(jí)以及供電和狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理，對(duì)關(guān)鍵控制信號(hào)進(jìn)行抗噪聲、抗浪涌、抗電磁干擾等處理，并對(duì)通信接口電路進(jìn)行抗雷擊設(shè)計(jì)。極端環(huán)境模擬測(cè)試表明，該P(yáng)SE供電裝置具有對(duì)終端設(shè)備功耗需求精確定級(jí)、抗干擾能力強(qiáng)、效率高、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、可恢復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，隨著互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對(duì)不同功率特別是大功率消耗的增加，能夠有效解決不同終端設(shè)備的功耗需求。

節(jié)能環(huán)保; 以太網(wǎng)； 通信； 交換機(jī)； 大功率設(shè)備； 光耦隔離; 供電

0 引言

以太網(wǎng)供電技術(shù)是一種直接通過(guò)常用的5類或6類非屏蔽雙絞線(unshielded twisted paired，UTP)或屏蔽雙絞線等以太網(wǎng)線纜傳輸電源的供電技術(shù)。一個(gè)完整的有源以太網(wǎng)(power over ethernet，POE)系統(tǒng)包括供電設(shè)備端設(shè)備(power sourcing equipment,PSE)和受電端受電設(shè)備(power device，PD)兩個(gè)部分[1-3]。PSE既是用來(lái)給其他設(shè)備供電的設(shè)備，同時(shí)也是整個(gè)POE以太網(wǎng)供電過(guò)程的管理者[4]。它可以分為端點(diǎn)設(shè)備和中間跨界設(shè)備兩種。PD設(shè)備是接收供電的PSE負(fù)載，會(huì)消耗PSE的電能[5]。

現(xiàn)今，大部分 PSE是集成于以太網(wǎng)交換或路由等傳統(tǒng)通信設(shè)備內(nèi)部的一塊單板(即端點(diǎn)設(shè)備)，通常采用主、從扣板的方式進(jìn)行系統(tǒng)整合。PSE的作用是讓傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換或路由設(shè)備在實(shí)現(xiàn)原有常規(guī)通信的基礎(chǔ)上，通過(guò)其數(shù)據(jù)傳輸線纜通道實(shí)現(xiàn)其下游設(shè)備的供電功能，能有效解決IP終端取電不便的困擾[6]。而隨著當(dāng)今IP通信終端產(chǎn)品種類多元化發(fā)展，各個(gè)終端設(shè)備的功耗參差不齊，特別是一些大功耗的終端設(shè)備的出現(xiàn)，勢(shì)必對(duì)POE中的PSE供電部分提出了更高的要求。原有的符合IEEE 802.3af規(guī)范要求的PSE設(shè)備(最大的負(fù)載功率為12.95 W)不能完全滿足現(xiàn)有的PD終端需求；另外從節(jié)能環(huán)保的角度來(lái)看，要對(duì)終端設(shè)備功耗需求進(jìn)行精確分級(jí)定位，適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)[7]。

1 PSE供電設(shè)備工作原理

在PSE正式向設(shè)備供電前，PSE會(huì)先用一個(gè)較小的電壓來(lái)測(cè)量受電設(shè)備的特征電阻，這樣可以避免將48 V工作電壓直接加給非有源以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，有效保護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全。在加電之前，PSE首先用較小的探測(cè)電壓去偵測(cè)是否有PD接入[8]，接著會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的電壓來(lái)測(cè)量受電的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功率級(jí)別。根據(jù)從線纜上所測(cè)量得到的恒定電流可知PSE所需的最大功耗，以確定PD屬于哪個(gè)功率級(jí)別。成功偵測(cè)和分級(jí)后，PSE就可以通過(guò)5類或者超5類線纜向PD供電。

標(biāo)準(zhǔn)的5類線纜有2對(duì)數(shù)據(jù)雙絞線、2對(duì)空閑雙絞線，但實(shí)際用到的只有其中的2對(duì)。IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)允許2種用法:應(yīng)用空閑對(duì)時(shí)，4、5腳接正極，7、8腳接負(fù)極；應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)，將供電電壓加在傳輸變壓器的中點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行，在這種方式下，線對(duì)1、2和線對(duì)3、6可以為任意極性，所以一般需要添加整流橋，避免因極性帶來(lái)的故障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PSE供電設(shè)備包括PSE電源管理單元、電源單元、微控制單元(microcontroller unit，MCU)、光耦隔離單元等。為了對(duì)PD受電設(shè)備進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)、精確的功率定級(jí)、供電和狀態(tài)檢測(cè)及斷電等操作，PSE供電應(yīng)具有抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)，能適應(yīng)嚴(yán)重的電磁干擾、容易遭受到雷擊或者浪涌等惡劣工作環(huán)境。PSE供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 PSE供電系統(tǒng)示意圖

PSE供電設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)選取了電源管理芯片BCM59121，其內(nèi)部整合了ARM單片機(jī)微控制系統(tǒng)、10 bit ADC模數(shù)采樣轉(zhuǎn)換模塊、BSC Broadcom串行控制總線、PASS-FET開關(guān)器件及控制模塊和高精度無(wú)損電流采樣電路。

2.1 PSE電源管理單元

PSE供電單元為下游PD端口供電。PSE通過(guò)供電端口反復(fù)偵測(cè)端口有沒(méi)有PD在線，同時(shí)也在不停地偵測(cè)各端口的狀態(tài)，并通過(guò)端口監(jiān)測(cè)狀態(tài)機(jī)將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋到PSE端口控制器(BCM59121)自帶的MCU進(jìn)行處理。通過(guò)MCU處理后，數(shù)據(jù)被保存到其內(nèi)部的特殊功能寄存器，供主板CPU通過(guò)BSC總線來(lái)訪問(wèn)。主板依據(jù)相關(guān)的特殊功能寄存器的狀態(tài)作出相應(yīng)的應(yīng)答處理，并控制各端口作出相應(yīng)的動(dòng)作，包括：偵測(cè)PD在線，對(duì)PD分級(jí)電流的偵測(cè)，給端口供電，對(duì)端口過(guò)熱、過(guò)流進(jìn)行告警等。

BCM59121是博通公司的8口PSE接口功率電源管理芯片，為下游8個(gè)端口PD的監(jiān)測(cè)、分組、供電提供服務(wù)，完全符合IEEE 802.3at規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼容IEEE 802.3af規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]。該芯片完成PSE端口的PD檢測(cè)、對(duì)端口的分級(jí)、供電等常規(guī)功能的管理控制，同時(shí)也對(duì)PSE各個(gè)端口的工作狀態(tài)，如溫度、電壓、電流、IC異常等情況進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)情況出現(xiàn)異常時(shí)，BCM59121芯片通過(guò)串口經(jīng)過(guò)光耦隔離與微控制器芯片M0516LCN進(jìn)行通信。BCM59121由外部提供一個(gè)12 MHz時(shí)鐘，供系統(tǒng)工作，ARM內(nèi)部自帶程序存儲(chǔ)器，無(wú)需外部擴(kuò)展ROM，可滿足系統(tǒng)存放主控程序。單片PSE接口管理芯片可以提供8端口PSE輸出及端口管理功能，根據(jù)供電PSE接口的多少，選取3個(gè)BCM59121[10]。微控制器M0516LCN與BCM59121之間通過(guò)I2C總線通信。

2.2 防護(hù)電路

PSE端口差模防護(hù)電路如圖2所示。

圖2 PSE端口差模防護(hù)電路

該電路的防護(hù)主要通過(guò)二極管的正向?qū)▉?lái)保護(hù)后級(jí)的芯片，一般可以承受7 kV以下的接觸靜電放電。利用二極管的ESD實(shí)現(xiàn)防護(hù)設(shè)計(jì)，成本低、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較高量級(jí)的抗ESD和抗浪涌防護(hù)。這種方式適用于各種低成本、較高密度、應(yīng)用在易產(chǎn)生靜電的惡劣環(huán)境下的產(chǎn)品防護(hù)設(shè)計(jì)[11]。

在差模防護(hù)的基礎(chǔ)上，增加壓敏電阻進(jìn)行共模防護(hù)，壓敏電阻RV規(guī)格選用82 V耐壓(FNR-05K820),電流能力為400 A。保險(xiǎn)絲為2 A的抗浪涌型保險(xiǎn)管。

2.3 MCU控制單元

NuMicro M051系列是以ARM?CortexTM-M0為內(nèi)核的32位微控制器。 而其中的M058/M0516工作頻率高達(dá)50 MHz，可應(yīng)用于各類工業(yè)控制[12]。M058/M0516內(nèi)嵌有多種Flash存儲(chǔ)器、SRAM存儲(chǔ)器，并自帶多種外設(shè)，如I/O端口、 外部總線接口、定時(shí)器、UART、 SPI、I2C、PWM、ADC，看門狗定時(shí)器檢測(cè)和欠壓檢測(cè)，以減少系統(tǒng)外圍元器件數(shù)量，節(jié)省電路板空間和系統(tǒng)成本。

本設(shè)計(jì)采用M0516LCN作為PSE供電設(shè)備的微控制器，MCU讀取PSE端口狀態(tài)信息和下發(fā)PSE端口相關(guān)配置；與BCM59121之間通過(guò)I2C總線來(lái)相互通信，將MCU配置成主機(jī)工作模式。3片BCM59121均工作在從機(jī)模式。

2.4 光耦隔離單元

光耦器件是一種光/電和電/光的轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)電信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)端時(shí)，驅(qū)動(dòng)端的發(fā)光二極體發(fā)光，輸出端的光敏三極管相應(yīng)產(chǎn)生電流；或者當(dāng)驅(qū)動(dòng)端輸入為低電平時(shí)，光敏三極管截止，輸出端輸出高電平；反之，當(dāng)驅(qū)動(dòng)端輸入高電平時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通，輸出為低電平。

由于干擾源阻抗遠(yuǎn)大于光耦的輸入阻抗，所以即使干擾電壓幅值較大，但實(shí)際上光耦驅(qū)動(dòng)端的電壓非常小，從而使輸出端產(chǎn)生的電流也非常小，不足以使驅(qū)動(dòng)端的發(fā)光二極管正常發(fā)光，這就使得光耦能夠有效濾除干擾源。另外驅(qū)動(dòng)和輸出之間沒(méi)有任何電氣聯(lián)系，兩者之間的阻抗無(wú)窮大，使得輸出端的各種干擾信號(hào)難以耦合至驅(qū)動(dòng)端，避免了共阻抗耦合干擾信號(hào)的產(chǎn)生，同時(shí)也能承受幾千伏的高壓，達(dá)到保護(hù)電路的作用。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于一些信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，信號(hào)間很容易產(chǎn)生串?dāng)_，致使信號(hào)失真。另一方面，設(shè)備之間的地并非完全一致，所以勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)路電流，在電路中形成共模干擾。所以針對(duì)這些問(wèn)題，采用TLP521-1和6N136S光耦隔離芯片對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行光耦隔離，以提升設(shè)計(jì)的抗干擾能力。

2.5 系統(tǒng)電源單元

系統(tǒng)采用分布式電源設(shè)計(jì)。分布式電源設(shè)計(jì)存在兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換，單板所需的48 V電源由隔離式電源模塊提供；第二級(jí)采用DC/DC電源實(shí)現(xiàn)48 V到3.3V的電源轉(zhuǎn)換[13-14]。本設(shè)計(jì)采用LM34923降壓型DC/DC穩(wěn)壓器，采用其導(dǎo)通時(shí)間與線路電壓成反比的控制方案。基于比較器和導(dǎo)通時(shí)間單穩(wěn)態(tài)，將輸出電壓反饋與內(nèi)部基準(zhǔn)(2.5 V)相比較。如果FB電平低于參考值，降壓開關(guān)導(dǎo)通一個(gè)由線路電壓和編程電阻(RT)決定的固定時(shí)間。在導(dǎo)通周期之后，開關(guān)保持260 ns的最小關(guān)斷定時(shí)器周期。如果FB仍然低于此時(shí)的參考值，則開關(guān)再次導(dǎo)通另一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間段，直到實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。產(chǎn)生的輸出紋波電壓主要是由電感紋波電流和C94的特性決定，以保證輸出電源的質(zhì)量。通過(guò)R68和C69產(chǎn)生鋸齒電壓波形，并且該電壓經(jīng)由C70交流耦合到FB引腳。各元器件取值可以通過(guò)如下計(jì)算:

(1)

式中:USW為關(guān)斷時(shí)間期間SW引腳電壓的絕對(duì)值，如果將肖特基二極管用于反激功能，則關(guān)斷時(shí)間電壓在0.5～1 V范圍內(nèi)，具體取決于所使用的具體二極管和最大負(fù)載電流；UA為R68/C69結(jié)點(diǎn)處的DC電壓。

電源模塊原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

R68和C69可以通過(guò)以下計(jì)算選取:

R68×C69=(UIN(min)-UA)×tON/ΔU

(2)

式中:tON為最大導(dǎo)通時(shí)間(在最小輸入電壓)，且ΔU為R68/C69結(jié)點(diǎn)處(通常為40～50 mV)的期望紋波振幅。

從標(biāo)準(zhǔn)值組分中選擇R68和C69以滿足上述要求，通常C69為1 000～5 000 pF，R68為10～300 kΩ，而C70比C69大很多，一般選用0.01 μF。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，在輸出電源端增加了LC濾波器、去耦電容、旁路電容、磁珠等，以便濾除和吸收噪聲。

輸出電壓值的計(jì)算公式為:

UOUT=2.5×(R66+R72)/R72

(3)

3 實(shí)物及測(cè)試數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步降低高速信號(hào)干擾問(wèn)題，BCM59121芯片的背面(即對(duì)應(yīng)的頂層相應(yīng)位置)不放置任何器件，包括芯片電源腳的退耦電容也不放置在BCM59121背面，退耦電容靠近IC電源腳。48V電源供電是來(lái)自外接的48V電源模塊，一般可能會(huì)帶來(lái)很多噪聲。在本設(shè)計(jì)滿配置的情況下，電流很大，所以在該層敷設(shè)專門的48V電源層，同時(shí)在頂層或底層為48V電源線留出足夠的寬度。

PSA1200測(cè)試儀是SIFOS公司生產(chǎn)的專業(yè)POE測(cè)試儀器，也是業(yè)內(nèi)普遍使用的POE測(cè)試儀。其覆蓋了所有802.3af標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試的項(xiàng)目。在插入3000系列子卡(PSA-3102)時(shí)，也可以測(cè)試符合802.3at標(biāo)準(zhǔn)的POE供電設(shè)備，并覆蓋95%以上的測(cè)試項(xiàng)目[15]。利用PSA1200測(cè)試本設(shè)計(jì)，得出的結(jié)果完全符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)。

將本系統(tǒng)與市場(chǎng)上兼容24口PSE供電的POE交換機(jī)進(jìn)行綜合測(cè)試，PSE扣板通過(guò)串口和PC機(jī)相連，調(diào)節(jié)電子負(fù)載不同的電流負(fù)載，在PC機(jī)上讀出分級(jí)結(jié)果。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試結(jié)果

PSE供電設(shè)備所有端口均為PD設(shè)備供電，用電流探頭測(cè)試PSE輸出電源線的電流值；用示波器測(cè)試PSE輸出電源處的電壓值；用測(cè)得的電壓值乘以電流值，得出PSE產(chǎn)品功耗以及所提供的功耗。功耗結(jié)果如表2所示。

表2 功耗結(jié)果表

4 結(jié)束語(yǔ)

本PSE供電設(shè)備設(shè)計(jì)選用BCM59121的PSE電源管理芯片，遵循IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，滿足大功耗PD受電設(shè)備的功耗需求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的每個(gè)端口最大提供12.95 W的負(fù)載功率。選用分布式電源架構(gòu)，采用兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換限制電路中的紋波噪聲，節(jié)省電源占用面積，并設(shè)計(jì)有光耦隔離，提高了通信的可靠性。通過(guò)精確測(cè)試可知，與市場(chǎng)上相關(guān)產(chǎn)品相對(duì)比，本設(shè)計(jì)更具有可靠性、實(shí)用性和節(jié)能性，完全可以適用于大功耗PD受電設(shè)備。

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Design and Implementation of Application of the Key Technology of Power over Ethernet for High Power Equipment

YE Chen,QIAN Guoming

(School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

With the diversified development of the Internet communication terminal equipment,the power consumption of various kind of terminal equipment is uneven,so it is necessary to accurately classify the power consumption,and reliably supply power for equipment.This,bring strict requirements for the technology of power over Ethernet,for such purpose,the highly stable power sourcing equipment (PSE) that suitable for working in the extreme environment is designed.Through PSE power management chip,the detection,power classification,and state monitoring and management of the powered device (PD) can be conducted.In addition,the processing of anti-noise,anti-surge,and anti-electromagnetic interference,etc.,can be done for the key control signals,and the anti-lightning is designed for the communication interface circuit.The test of extreme environment simulation shows that the PSE proposed has many advantages,such as accurate classification of the power consumption of terminal equipment,high anti-interference capability,high efficiency,high stability,high reliability and high recoverability,it can also satisfy the power consumption requirement of different terminal equipment,especially the high power consumption equipment of the Internet terminal equipment.

Energy saving and environment protection; Ethernet; Communication; Exchanger; High-power machine; Optocoupler isolation; Power supply

葉晨(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事電子通信產(chǎn)品硬件開發(fā)方向的研究。E-mail:18070062190@163.com。 錢國(guó)民(1964—)，男，碩士，教授，主要從事無(wú)線通信技術(shù)和信號(hào)處理方向的研究。E-mail:382328476@qq.com。

TH-39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705014

修改稿收到日期:2017-02-04