可提供13W到70W功率的PoE+電路設計指南

以太網(wǎng)供電(PoE+)應用目前遵循IEEE標準802.3af，它即將在今年的第二季度被802.3at(PoE+)所替代，新的PoE+標準將可為用電設備(PD)提供大約2倍的功率。本文提出一個(gè)簡(jiǎn)單的工作在PoE+功率級(30W)的PD電路，它借助了一個(gè)外部MOSFET和一個(gè)針對舊版802.3af標準設計的控制器。討論內容覆蓋了尚未正式公布的新的802at標準對PD的要求，以及將現有的802.3af控制器(MAX5941B)擴展用于PoE+ PD的好處。本文還包含了對3.3V輸出、30W用電設備的一些測試結果，如效率、輸出紋波、動(dòng)態(tài)響應和輸入浪涌電流的限制。

迅速增長(cháng)的PoE應用現在要求高出目前802.3af標準(12.95W)支持的功率級別。為了滿(mǎn)足這一要求，IEEE于2005年9月開(kāi)始于制定一個(gè)新標準(802.3at)，它將通過(guò)以太網(wǎng)電纜提供的功率擴大到至少30W。不過(guò)，在等待802.3at標準被正式批準的同時(shí)，業(yè)界需要“準PoE+”電路來(lái)滿(mǎn)足當前應用的實(shí)際需求。

因此，本文提出了一個(gè)基于上面提及的PoE控制器(MAX5941B)的準PoE+ PD電源電路，如圖1所示。它能夠滿(mǎn)足許多PoE+應用對更高功率的要求，并保持了與802.3af標準的后向兼容性。通過(guò)簡(jiǎn)單地增加一個(gè)外部MOSFET，你可以將PD接口的功率從802.3af標準的級別增加到802.3at PD的最大功率(70W)以上。下面將討論PoE+的要求、MAX5941B的性能特點(diǎn)以及如何為PD提供一個(gè)3.3V輸出的30W電源。

圖1：基于MAX5941B的準PoE+ PD電源電路可在3.3V輸出電壓下提供30W功率。

PoE+的要求

IEEE 802.3at標準建議的一些目標如下：

1. 802.3at應當遵循802.3af標準中有關(guān)的電源安全性規則和限制。

2. 802.3at PSE必須后向兼容802.3af，它應當能夠為802.3af和802.3at PD供電。

3. 802.3at PSE能夠為PD提供實(shí)際允許的最大功率(最少30W)。

4. 當連接到一個(gè)早期的802.3af PSE時(shí)，802.3at PD能夠向用戶(hù)指出需要一個(gè)802.3at PSE。

802.3at PD必須能夠被802.3at PSE識別出來(lái)、檢測出來(lái)和供電，還應當能為其下游負載提供足夠的功率。為了適應新的802.3at功率要求，目前的PD控制器面臨以下問(wèn)題和設計挑戰：

1. Class 4 PD分級。

2. 這些控制器的內部PD接口隔離開(kāi)關(guān)不能處理高出設計最大值12.95W的功率級別。

3. 許多目前PD控制器設定的電流限制低于802.3at要求的功率級別。

幸運的是，MAX5941B控制器只需對外部元件做很少的改動(dòng)就能夠為“準PoE+ ”PD提供高達70W的功率。為了滿(mǎn)足PoE系統中的PD供電需求，它集成了一個(gè)完整的帶PD接口的802.3af電源IC，和適用于隔離或非隔離電源設計中的反激或正激轉換器的緊湊DC/DC PWM控制器。

MAX5941B控制器可滿(mǎn)足以下PoE+要求:

1. Class4 PD分級：該控制器已經(jīng)包含了針對Class4 PD分級的規定，你僅需要改變外部分級設置電阻值。

2. PD接口隔離開(kāi)關(guān)的額定功率：所有現有的PD控制器都包含一個(gè)MOSFET，它用于在檢測和分級的啟動(dòng)協(xié)議期間隔離PD。由于這個(gè)MOSFET設計針對802.3af規定的功率級(高達12.95W)，因此低于802.3at應用的功率等級。

MAX5941B內部的MOSFET柵極輸入連接到引腳7，因此你可以簡(jiǎn)單地通過(guò)在該引腳上連接一個(gè)外部MOSFET來(lái)提高PD接口開(kāi)關(guān)的額定功率。新的額定功率可以從12.95W擴展到70W或以上，具體取決于你選擇的外部MOSFET的尺寸。外部MOSFET的導通電阻必須保證流經(jīng)內部開(kāi)關(guān)的電流在其安全工作范圍內。

3. 改變電流限制：很多現有的PD控制器提供兩個(gè)限流級別。第一級設置為低于400mA，用于限制上電時(shí)PD的輸入浪涌電流;第二級設置為高于400mA。不僅802.3af標準不需要第二級限流，而且PoE+應用實(shí)際上也禁止使用這些PD控制器。

MAX5941B控制器允許用戶(hù)對輸入浪涌電流進(jìn)行編程，但卻不需要加入第二級限流。由于用戶(hù)可以選擇低于400mA的輸入浪涌電流限制，從而使該控制器可馬上適用于PoE+應用。輸入浪涌過(guò)程結束后，PD馬上就可以進(jìn)行更高功率的PoE+操作，無(wú)需更換IC或外部電路。

在PoE+系統中，限制功率傳輸的瓶頸是電纜的電流承載能力。在相關(guān)的標準如TR42.7中，為了確定在不同復雜限制條件下電纜的電流承載能力，必須對PoE+電纜進(jìn)行大量的測試。目前，TR42.7推薦在45oC最大環(huán)境溫度下，5e類(lèi)、6類(lèi)和6A類(lèi)電纜每線(xiàn)對能夠承載的最大電流是720mA(每根導線(xiàn)360mA)。超過(guò)45oC，受I2函數的影響，在60oC時(shí)你可將電流值降到0mA，其中I是流經(jīng)電纜的電流。因此，對于兩線(xiàn)對的PoE+系統，所允許的PD最大功率約為30W。據此，我們?yōu)闇蔖oE+ PD設計了一個(gè)30W的供電電路。

PD接口

30W PD供電電路的原理圖如圖2所示。N10是增加的外部MOSFET，用于增強PD接口隔離開(kāi)關(guān)，以達到PoE+的功率等級。R8(178Ω)是用來(lái)設置Class4功率等級的RCL。這個(gè)30W的PD能夠從準802.3at PSE接收功率。兩對UTP線(xiàn)纜連接到Fast-Jack連接器J1，它集成了10/100BASE-TX VoIP磁性模塊。兩個(gè)二極管橋功率整流器(D4，D5)用于分離PSE送出的-48V直流電源。

圖2：30W PD供電電路的原理圖。

隔離開(kāi)關(guān)(由MAX5941B內部功率MOSFET和外部MOSFET N10組成)限制啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流。MAX5941B通過(guò)一個(gè)典型10μA的恒流源給MOSFET的柵極充電。MOSFET漏極至柵極之間的電容通過(guò)限制漏極電壓的上升速度限制輸入浪涌電流?？梢酝ㄟ^(guò)在柵極和輸出之間外加一個(gè)電容進(jìn)一步減小輸入浪涌電流。以下公式用于計算輸入浪涌電流：

IINRUSH=IG×COUT/CGATE

PoE+應用的輸入浪涌電流限制在400mA以?xún)?。圖3波形(從圖2電路中測得)顯示當輸入電壓大約為39V時(shí)，輸入浪涌電流低于108mA，39V是缺省的欠壓鎖定電平(UVLO)。當負載電流為7A時(shí)，流經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)的總平均電流是680mA。

圖3：準PoE+ PD輸入浪涌電流的限制。