一種基于MAX5980芯片的POE網(wǎng)絡(luò )交換機設計方案

　　通過(guò)方案的系統設計及測試，論證了POE芯片結合網(wǎng)絡(luò )交換機實(shí)際應用的可行性，該方案設計完整，運行穩定，能充分滿(mǎn)足后端網(wǎng)絡(luò )的各類(lèi)受電器件的正常工作。

　　一、引言

　　POE(Power Over Ethernet)以太網(wǎng)供電，指的是在現有的以太網(wǎng)Cat.5布線(xiàn)基礎的架構下不作任何改動(dòng)，在為一些基于IP的終端設備(如IP電話(huà)機、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò )攝像機等)傳輸數據信號的同時(shí)，還能同時(shí)為此類(lèi)設備本身提供直流供電的技術(shù)。POE設備包括電源輸出設備PSE和電源接受設備PD,本文重點(diǎn)討論電源輸出設備PSE.

　　利用POE技術(shù)，用戶(hù)無(wú)需再為每個(gè)連接POE的終端設備提供墻壁電源，從而節省了為連接IP電話(huà)、無(wú)線(xiàn)LAN接入點(diǎn)、視頻監視攝像機、建筑物管理系統和遠程視頻亭等設備所須的電源布線(xiàn)成本。

　　此外，借助PoE,企業(yè)還能夠將一些關(guān)鍵的設備鎖定在一個(gè)電源上，用UPS備份電源支持整個(gè)系統，如此一來(lái)，必將大大提高整個(gè)系統的供電保障，從而提高整個(gè)系統設備的可靠性和安全性。

　　二、系統遵循的標準

　　隨著(zhù)以太網(wǎng)在全球使用日漸趨于平民化，相應的組網(wǎng)設備迅速得以開(kāi)發(fā)，在長(cháng)期的使用中，與之配套的供電電源一直是困擾組網(wǎng)的終端設備進(jìn)一步普及的瓶頸之一。于是，通過(guò)以太網(wǎng)數據線(xiàn)對或備用線(xiàn)對來(lái)實(shí)現以太網(wǎng)設備供電的標準自然地隨著(zhù)市場(chǎng)的需求和技術(shù)的開(kāi)發(fā)得以頒布執行。

　　IEEE802.3af標準對以太網(wǎng)供電(POE)及相關(guān)的實(shí)施細則做了詳盡的規定。該標準作為一個(gè)基于以太網(wǎng)絡(luò )的電源傳輸協(xié)議，詳細規定了相應的送電設備(PSE)對受電設備(PD)進(jìn)行供電的機理。其中包括了對受電設備進(jìn)行在線(xiàn)測試，分級處理，啟動(dòng)供電，斷接保護等多項技術(shù)的實(shí)施細則。協(xié)議還對以太網(wǎng)輸電線(xiàn)路(PTL)作了詳細的規定。

　　本文的系統方案完全建立在上述標準的基礎上進(jìn)行設計，系統在確?，F有結構化布線(xiàn)安全的情況下，同時(shí)保證現有網(wǎng)絡(luò )的正常運作，從而最大限度地降低了成本。

　　三、芯片選擇與電路設計

　　在系統設計前，我們比對了國際上多款能實(shí)現PSE功能的芯片，美國美訊公司的MAX5980因其設計卓越，配套方案合理，整個(gè)管控渠道的通暢而引起了我們的注意。這在為我們以后的設計起到至關(guān)重要的作用。

　　MAX5980是一款四通路的電源送電設備(PSE)的電源控制器。芯片是專(zhuān)門(mén)為用于符合IEEE 802.3at/af及兼容的PSE設備設計的。

　　根據標準的要求，該器件針對后端的受電設備具有，探測，分級，限流，和負載斷開(kāi)檢測等功能。該器件支持全自動(dòng)操作同時(shí)支持軟件編程控制。該器件還支持新的兩事件分級和針對大功率的受電設備的第5類(lèi)探測和分級功能。

　　該器件支持單電源供電，每個(gè)端口(第五類(lèi)啟用)可提供高達70W的功率，同時(shí)可提供對后端原有的受電設備的高容抗檢測。

　　根據MAX5980的技術(shù)特性，我們首先設計了一個(gè)4路PSE的電原理圖，如圖1所示。

　　根據芯片資料，PSE控制器MAX5980的輸入電壓設計為48V直流。芯片的輸出部分采用4個(gè)大功率的場(chǎng)效應管作為4個(gè)網(wǎng)絡(luò )供電輸出的電流控制端。

　　48V直流輸入由開(kāi)關(guān)電源提供。電源通過(guò)網(wǎng)絡(luò )端口輸出，提供給后端的受電設備。場(chǎng)效應管是整個(gè)電源輸出的控制回路中的關(guān)鍵元件?；芈分袌?chǎng)效應管的源極接0.25歐姆取樣電阻，然后再返回到芯片。

　　輸出電流經(jīng)場(chǎng)效應管，通過(guò)取樣電阻采樣，監測輸出回路的電流。芯片可以隨時(shí)通過(guò)SENSE端口進(jìn)行取樣，讀取后端PD設備的負載特征。經(jīng)過(guò)判斷，芯片可控制場(chǎng)效應管的G極做出各種控制響應。

　　根據802.3at協(xié)議的定義和芯片的功能設計，芯片將根據不同的采樣數據進(jìn)行判斷，然后再進(jìn)行檢測，分級，端口電壓?jiǎn)?dòng)，過(guò)流保護，欠壓和過(guò)壓保護等動(dòng)作。從而實(shí)現整個(gè)芯片系統的運行。

　　在調試過(guò)程中，在48V輸入端并接了2個(gè)0.1uf的電容，用來(lái)抑制電源的紋波系數，增強抗干擾能力，提高電源的可靠性。同時(shí)，在48V的端還選用了SMIB58瞬態(tài)抑制管，用于防止大電流的沖擊，避免器件受損。

　　MAX5980的1、2、3腳為外接串行總線(xiàn)的接口線(xiàn)，本文中不采用I2C串行總線(xiàn)，根據設計文獻要求，必須將這3根線(xiàn)接地。

　　芯片的5、6、7、8腳作為器件的從地址的位置編碼端，在設計中也必須接地。

　　根據IEEE802.3af協(xié)議對PSE和PD之間接口定義的連接標準，POE的網(wǎng)絡(luò )交換機的端口接線(xiàn)方法有兩種接法，如圖2、圖3所示。

　　圖2為A型接法，其中的RJ45端口在承擔傳輸輸入輸出信號的同時(shí)還需要傳輸直流電，1、2芯線(xiàn)為正極輸出，3、6芯線(xiàn)為負極輸出。

　　圖3為B型接法，圖3所示的RJ45的4、5,7、8芯線(xiàn)用做PSE的直流電源的輸出。其中的4、5芯線(xiàn)連接電源的正極，7、8芯線(xiàn)連接電源的負極。

　　由于在RJ45的端口定義中，4、5,7、8芯線(xiàn)不承擔信號傳輸的功能，因此，在PSE的設計中需要考慮的電氣特性相對簡(jiǎn)單。本文中選擇了B型接法作為系統設計的電源輸出，這也將為之后的與交換機芯片合成帶來(lái)方便。

　　MAX5980的取樣關(guān)鍵在于輸出電路取樣電阻的測試精度，因此，在具體的PCB布線(xiàn)設計時(shí)采用了開(kāi)爾文檢測的布線(xiàn)方式，從而保證了電路的測試精度。這點(diǎn)在具體的布線(xiàn)布局和設計中尤為重要。每個(gè)取樣電阻都采用1206的封裝，可以減少因電路的走線(xiàn)帶來(lái)的采樣偏差。

　　四、交換芯片的配合應用

　　本系統采用IP175C芯片作為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )交換機的處理器。該芯片是專(zhuān)門(mén)為小型的企業(yè)和家庭級的以太網(wǎng)交換機設計的處理芯片，芯片已經(jīng)長(cháng)期使用，狀態(tài)情況良好，性能穩定，業(yè)界評價(jià)很高，是與MAX5980相配合的理想的交換芯片。

　　有關(guān)IP175C芯片這部分本文不再進(jìn)行展開(kāi)描述，重點(diǎn)對修正部分進(jìn)行必要的闡述。

　　為保證MAX5980的工作穩定，IP175C的工作電壓必須從MAX5980的輸入端接入，通過(guò)LM2594降壓至IP175C所需的工作電壓。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )交換機和PSE的端口指示電路的供電電壓也必須從MAX5980的輸入端接入。

　　以太網(wǎng)的數據信號，經(jīng)過(guò)IP175C處理器進(jìn)行交換處理，信號從RJ45端口輸出，接口電路如圖4所示。

　　為了保證數據信號的傳輸質(zhì)量，芯片信號的輸入輸出都是成差分對的，在設計和布線(xiàn)時(shí)候都必須圍繞著(zhù)這個(gè)特點(diǎn)展開(kāi)。

　　如圖4所示電路中的網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器主要用作傳輸信號中的電平轉換，以增強數據信號的傳輸能力，提高信號的抗干擾能力。

　　PSE的直流輸出如圖所示接入，并通過(guò)RJ45端口輸出為后端供電。為了保證電氣特性穩定，在2個(gè)端口和機殼間都增加了濾波電容。

　　五、POE網(wǎng)絡(luò )交換機的仿真測試

　　下圖所展示的是POE網(wǎng)絡(luò )交換機仿真測試示意圖。

　　MAX5980在與IP175C網(wǎng)絡(luò )芯片構成完整的5口的帶有POE功能的網(wǎng)絡(luò )交換機后，其中的第一端口作為網(wǎng)絡(luò )級聯(lián)口，用作連接上層交換設備。其余的4個(gè)網(wǎng)絡(luò )端口都具有對后端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )供電的帶有POE功能的端口。在根據上文的系統方案設計完成后，經(jīng)過(guò)仿真測試，該方案的設計完全滿(mǎn)足設計時(shí)所提出的要求。系統工作正常，性能穩定可靠。

　　六、結束語(yǔ)

　　本文通過(guò)對MAX5980芯片與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )交換機芯片進(jìn)行聯(lián)合分析，提出了基于MAX5980芯片的POE網(wǎng)絡(luò )交換機設計方案。本文設計的POE交換機作為新推出的網(wǎng)絡(luò )交換設備，對以太網(wǎng)的方便架構起著(zhù)十分重要的作用。

　　最后通過(guò)方案的系統設計及測試，論證了POE芯片結合網(wǎng)絡(luò )交換機實(shí)際應用的可行性，該方案設計完整，運行穩定，能充分滿(mǎn)足后端網(wǎng)絡(luò )的各類(lèi)受電器件的正常工作。