8口百兆POE工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)

李濤　劉艷彬　劉文英

摘 要：本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的8口100BASE-TX POE交換機(jī)遵循IEEE 802.3u 100BASE-TX，POE供電遵循802.3af和IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，使用POE管理芯片，實(shí)現(xiàn)了由網(wǎng)口對(duì)外供電的功能，并且依據(jù)LLDP （Link Layer Discovery Protocol）協(xié)議自動(dòng)檢測PD設(shè)備功耗值，供給PD合理電量，充分滿足后端受電設(shè)備的需求。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；POE；交換機(jī)

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

1 引言

隨著智能終端設(shè)備的增多，傳統(tǒng)的供電方式布線復(fù)雜，安全隱患較多，功率損耗較大，維護(hù)困難；PoE （Power over Ethernet）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，此技術(shù)在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動(dòng)的情況下，為一些基于IP的終端傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)[1]，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)電合一”。

2 POE交換機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用PD69208/PD69200芯片組與MARVELL的交換芯片88E6085實(shí)現(xiàn)POE交換機(jī)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)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(tǒng)復(fù)位電路、時(shí)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(nèi)嵌一顆CortexTX-M0+內(nèi)核，PD69208/PD69200芯片組組成POE模塊，可以實(shí)現(xiàn)PD設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測，從而為受電設(shè)備提供合適的電壓。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 交換電路設(shè)計(jì)

（1）交換單元設(shè)計(jì)。交換單元是整個(gè)交換機(jī)的核心。交換機(jī)的存儲(chǔ)交換功能，全雙工、半雙工、自動(dòng)協(xié)商工作模式、 MDI/MDI-X自適應(yīng)、背壓流控等功能均是由交換單元實(shí)現(xiàn)的。

本設(shè)計(jì)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(wǎng)交換芯片，其內(nèi)部Port0～Port7集成了10BASE/100BASE-TX PHY，Port9～Port10 支持MII接口，本設(shè)計(jì)中使用Port0～Port7用作100BASE-TX通信口，使用此芯片內(nèi)部集成8個(gè)PHY，一方面節(jié)省成本，另一方面減少了外部PHY，使得設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。另外88E6085具有1Mbit片上開關(guān)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真正的非阻塞切換性能，并且支持多達(dá)2K的MAC地址自動(dòng)學(xué)習(xí)和老化。

88E6085具有Link，Speed，Duplex Mode，Collision，and Tx/Rx Activies等狀態(tài)指示功能，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中88E6085的功能配置中設(shè)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(shè)計(jì)。8口百兆POE交換機(jī)采用外部24VDC供電，本設(shè)計(jì)中交換芯片88E6085需要2.5V和1.2V電壓，因此需要采用降壓設(shè)計(jì)，24VDC通過DC/DC芯片TPS54340把24VDC轉(zhuǎn)成+5V，然后+5V經(jīng)過兩片降壓芯片TLV62085RL分別把+5V電壓轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)中采用無源晶振作為交換芯片的時(shí)鐘源，產(chǎn)生25MHz參考時(shí)鐘信號(hào)。交換芯片88E6085的供電電壓為+2.5V和+1.2V，因此系統(tǒng)復(fù)位電路中采用的復(fù)位芯片選擇復(fù)位閾值為2.18V的復(fù)位芯片，在系統(tǒng)上電時(shí)產(chǎn)生低電平復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)完成復(fù)位。

4 POE電路設(shè)計(jì)

IEEE802.3at，IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)下的POE供電系統(tǒng)包括PSE（供電端設(shè)備）和PD受電端設(shè)備，PSE設(shè)備是為以太網(wǎng)客戶端供電的設(shè)備，也是POE以太網(wǎng)供電過程的管理者。PSE在為PD設(shè)備供電前，先提供一個(gè)低電壓檢測PD設(shè)備的特征電阻，來確認(rèn)是否符合POE供電標(biāo)準(zhǔn)，PSE對(duì)符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD設(shè)備提供44～57V直流電壓，默認(rèn)提供15.4W的功率，對(duì)符合IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)的PD設(shè)備提供50～57V直流電壓，默認(rèn)提供30W的功率。

（1）POE芯片選型。PD69208是一個(gè)集成了電源，模擬和邏輯狀態(tài)的8端口以太網(wǎng)供電管理芯片，該芯片履行IEEE802.3at，IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)，并可以依照AT，AT標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)PD負(fù)載上產(chǎn)生的不同的電壓進(jìn)行PD檢測。POE控制器PD69200是一個(gè)預(yù)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(jī)制為PD提供了實(shí)時(shí)保護(hù)，PD69208/PD69200芯片組依據(jù)IEEE802.3at，IEEE802.3af和POH標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行所有實(shí)時(shí)功能，包括PD檢測，AF，AT，POH分類，該芯片組組成的POE 設(shè)計(jì)方案滿足本設(shè)計(jì)中8口POE的設(shè)計(jì)需求。

（2）升壓電路設(shè)計(jì)。PD69208供電電壓范圍為32V～57V，因此需要使用升壓電路實(shí)現(xiàn)把外部供電24VDC升壓至48VDC；設(shè)計(jì)中POE供電兼容IEEE802.3at和IEEE802.3af，IEEE 802.af標(biāo)準(zhǔn)PSE端口輸出功率為15.4W，IEEE802.3at PSE輸出功率為30W，PD6920在IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)大于5A（8*600mA=4800mA）。根據(jù)升壓電路輸出電壓電流的需求，本設(shè)計(jì)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(shí)際電路測試中，升壓電路經(jīng)過兩次升壓達(dá)到48V，第一次升壓至41.5V左右后再次升壓至48V左右。實(shí)際測試與仿真測試結(jié)果一致。LTC3787可以滿足8網(wǎng)口同時(shí)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(shè)計(jì)

在以太網(wǎng)接口電路中，網(wǎng)絡(luò)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(hù)作用，在POE供電接口電路中，網(wǎng)絡(luò)變壓器也是必不可少的，它除了具有在普通以太網(wǎng)接口電路中的電氣隔離、阻抗匹配、信號(hào)耦合等作用外，還為POE提供DC直流供電。在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)下可以有兩種接線方法。在10BASE/100BASE-T通信中，只用到了2對(duì)雙絞線。第一種是利用空閑對(duì)4、5和7、8供電，其中4、5為正極，7、8為負(fù)極，傳遞48V電源。第二種是利用通信線傳遞信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行供電，其中3、6為正，1、2為負(fù)，由于信號(hào)的傳輸頻率與電源的頻率不同因此供電的同時(shí)不影響通信。本設(shè)計(jì)采用第二種利用通信線供電方式對(duì)PD設(shè)備進(jìn)行供電。

6 結(jié)論

經(jīng)過測試本交換機(jī)完成并實(shí)現(xiàn)了10/100M速率設(shè)置，半雙工、全雙工、自協(xié)商，MDI/MDI-X自適應(yīng)，POE供電等多個(gè)功能，滿足了設(shè)計(jì)需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅可揚(yáng).基于MAX5980芯片的POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)計(jì)[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(yè)總線和工業(yè)以太網(wǎng)方向的研究工作。