低端口數PSE

　　IEEE 802.3af以太網(wǎng)供電(PoE)標準規定：可通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)路輸送48V電壓(在高達350mA的電流條件下)。從那以后，一大批采用PoE標準的新產(chǎn)品相繼面市，而且，具PoE功能的以太網(wǎng)接口的數量達到了幾百萬(wàn)之多。

　　負責提供功率的設備是供電設備(PSE)。開(kāi)發(fā)中跨PSE的目的是使不具備PoE功能的老式數據裝置能夠繼續使用(將其用作現有數據線(xiàn)上的饋電器)。端點(diǎn)PSE則實(shí)現了PoE功能與諸如路由器、集線(xiàn)器和交換器等數據設備的集成。當PoE尚屬新事物的時(shí)候，中跨代表了那些有PoE需求、但不想更換其現有數據系統的廠(chǎng)商的首選PSE方案。不過(guò)，隨著(zhù)PoE技術(shù)的日漸普及，端點(diǎn)PSE目前已成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。

　　PSE提供的功率通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)路輸送至受電設備(PD)。此類(lèi)設備通常主要包括IP語(yǔ)音通信(VoIP)電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )攝像機和無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(WAP)等產(chǎn)品。PD的應用還擴展到了更多獨特的領(lǐng)域，包括樂(lè )器、電池充電器和顯示系統。通過(guò)單根電纜來(lái)傳輸功率和數據在許多方面都被證明是極具價(jià)值的，包括免除了在PD上增設電源接線(xiàn)的需要以及創(chuàng )立了一個(gè)通用的電源標準。PoE在商業(yè)和工業(yè)市場(chǎng)上得到廣泛應用已有好幾年了，而且目前正在進(jìn)入消費產(chǎn)品市場(chǎng)。

　　基于IEEE 802.3af標準的PSE控制器用于執行PD檢測、分類(lèi)、端口接通、故障監視和電源斷接。它們一般都是多通道控制器，其中以四通道控制器最為常見(jiàn)。傳統上，這些控制器被設計在大型的12、24或48端口系統中，因而需要一個(gè)以上的IC。有些控制器能夠自主運行，但大多數應用都是采用一個(gè)微控制器來(lái)逐個(gè)執行IEEE功能。微控制器還被用于從PSE控制器讀回端口的狀態(tài)和PD類(lèi)別信息。微控制器隨后對該信息進(jìn)行“翻譯”，以執行諸如用戶(hù)接口和電源管理等操作。

　　對于Class 3，要求一個(gè)PSE端口輸出15.4W的功率(表1)，因此，向每個(gè)端口提供滿(mǎn)功率將需要一個(gè)很大的電源(即：15.4W x 24個(gè)端口 = 370W)。為了解決這一問(wèn)題，IEEE 802.3af標準賦予了PD一個(gè)可選項，用于根據PD將會(huì )消耗的最大功率來(lái)為PSE提供功率級別信息。通過(guò)采用一個(gè)負責執行電源管理的微控制器，這將實(shí)現電源尺寸的縮減。

　　圖1示出了基本電源管理操作的一個(gè)例子。在設定了初始可用功率并檢測到一個(gè)PD之后，讀出該PD的功率級別。將讀出的功率級別與可用功率進(jìn)行比較。如果有足夠的功率供PD之用，則接通端口，并從可用功率中抽取所需的功率。當PD斷接時(shí)，端口被關(guān)斷，抽取的功率將被加回到可用功率中。

　　通過(guò)始終監視按照PD的功率級別而在每個(gè)端口上分配的功率，即可根據剩余功率來(lái)確定其是否足以為更多的PD供電。如果某個(gè)端口發(fā)生故障或者剩余功率不足，則阻止PD執行上電操作，該狀態(tài)信息可通過(guò)一個(gè)用戶(hù)接口(如果有的話(huà))讀回。

　　單端口PSE控制器

　　多通道控制器適用于大型多端口設備，不過(guò)，有許多應用只需要具有PoE功能的單端口或低端口數PSE。對于這些應用而言，通常僅采用多通道控制器當中的一個(gè)，而未用通道則被浮置。PSE控制器的領(lǐng)先供應商凌力爾特公司推出了LTC4263，這是一款面向此類(lèi)應用的自主型單通道PSE控制器(圖2)。

　　LTC4263提供了完全符合IEEE 802.3af標準的PD檢測、分類(lèi)、端口接通、故障監視以及AC或DC斷接檢測功能。此外，一個(gè)高效LED驅動(dòng)器還負責通過(guò)單個(gè)LED為用戶(hù)提供端口狀態(tài)信息，以指示端口接通或故障?？蛇x項包括一個(gè)中跨延時(shí)定時(shí)器、老式設備檢測以及通過(guò)將其各自的引腳連接至VSS或VDD5來(lái)設定的功率級別提升。LTC4263的一個(gè)獨特之處是其簡(jiǎn)單的電源管理功能，在多端口應用中，可利用一個(gè)在多個(gè)LTC4263上工作的RC網(wǎng)絡(luò )對該功能進(jìn)行編程。如欲采用模擬方法來(lái)執行上述電源管理功能，則可通過(guò)多個(gè)LTC4263所共用的一個(gè)PWRMGT引腳來(lái)完成。LTC4263的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其無(wú)需微控制器干預的獨立型運作能力。

　　除了免除了微控制器及其外圍元件以外，LTC4263還具有一個(gè)用于正確開(kāi)關(guān)負電源軌的板載功率MOSFET，以及一個(gè)內置AC斷接信號和數字電源。圖2示出了一款與LTC4263配合操作且元件數目極少的電路。接入了一個(gè)隔離型48V電源，并由它向LTC4263輸送功率。旁路電容器被布設在輸入電源引腳VDD48以及5V內部生成電源(在VDD5上引出)上。輸出線(xiàn)(48V正電源軌和開(kāi)關(guān)負電源軌)外接至RJ45端口線(xiàn)路。如果通過(guò)數據線(xiàn)對，則這些輸出線(xiàn)將被連接至以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭。否則它們將直接連接至空閑線(xiàn)對。一個(gè)58V瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和一個(gè)0.1mF電容器有助于防止在端口上出現電壓瞬變、過(guò)壓和反向電壓。還可以采用一個(gè)可選的1A熔絲來(lái)滿(mǎn)足安全性要求。這款低元件數解決方案實(shí)現了小于單個(gè)RJ45連接器的布局面積。與多通道PSE相比，單端口PSE在布局上的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是元器件的排版?？梢园迅鱾€(gè)控制器電路布設在以太網(wǎng)端口的后面或附近，而不是經(jīng)由很長(cháng)的印制線(xiàn)會(huì )合于共用的控制器。還可以把一個(gè)58V TVS放置在其設計用于保護的控制器的近旁。簡(jiǎn)化的布局還有助于滿(mǎn)足IEEE 802.3af標準當中所提及的隔離要求，這一點(diǎn)在PSE設計中有時(shí)會(huì )被忽視。

　　把控制器和MOSFET分散至各個(gè)端口還有利于改善PSE的熱性能。元件之間的間隔提供了優(yōu)于多通道控制器解決方案(這里，電源路徑彼此靠近)的熱管理性能。當PSE被封閉于一個(gè)致密空間(例如：一個(gè)集成RJ45連接器)當當中的時(shí)候，改善效果最為明顯。

　　其他可選項(圖2中未示出)是LED連接和AC斷接。一個(gè)具有電流設定電阻器的LED與LED引腳相連。LED驅動(dòng)器還能夠起一個(gè)開(kāi)關(guān)電流源的作用(以提高功率效率)，只需增設一個(gè)電感器和二極管。在需要用AC斷接代替DC斷接的應用中，只需利用OSC引腳上的一個(gè)電容器(負責設定內部振蕩器頻率)、ACOUT引腳上的一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò )(用于把AC信號加至端口)、和一個(gè)位于負電源路徑中的AC隔離二極管，即可改變LTC4263的配置。

　　墻上適配器PSE

　　便攜式設備具有不同的電壓和功率要求。具PoE功能的設備(PD)內置了其特有的DC/DC轉換電路，因而并不依賴(lài)于和電壓合適的墻上適配器相連。當揣著(zhù)這樣的設備外出旅行時(shí)，就不再需要攜帶墻上適配器了；只需要一根以太網(wǎng)電纜。然而，在無(wú)法使用PoE但又需要為諸如電池充電器等裝置供電的場(chǎng)合，一個(gè)簡(jiǎn)單的墻上適配器PSE可以很方便地插入壁裝電源插座中，以把PoE功率輸出至PD。這樣的裝置可以直接插入墻上插座。功率通過(guò)一個(gè)AC/DC轉換器來(lái)提供PoE電源。這種簡(jiǎn)單的裝置不需要具備任何智能，只需提供功率就可以了。LTC4263將提供PSE控制功能，從而實(shí)現了PD的安全檢測和上電。如果有一個(gè)非PoE裝置與該墻上適配器相連，則用戶(hù)還能夠從一個(gè)由LTC4263驅動(dòng)的LED讀出基本的故障信息。如果在一個(gè)墻上適配器上需要不止一個(gè)端口，則可采用多個(gè)LTC4263來(lái)實(shí)現一個(gè)PoE墻上適配器擴展器。電源管理功能可由LTC4263來(lái)提供，并根據電源的功率限值來(lái)設定。這將限制那些被加電及具有特定功率級別的端口數量。圖3示出了一款針對30W的PD上電可用功率而配置的三端口墻上適配器。只要未超過(guò)設定的可用功率，則PD功率級別的各種組合都可以完成上電操作。例如：如果一個(gè)Class 3 PD首先上電，則分配給受電設備的15.4W功率將剩下足以為滿(mǎn)足Class 1或2 PD所需的功率。

　　在多端口解決方案中，各端口的操作是相互獨立的(電源管理除外)。在端口需要彼此隔離的場(chǎng)合，這也是有用的。此時(shí)，各端口將擁有其自身的隔離電源，且電源管理功能將不被采用。

　　不必對墻上適配器PSE的功率加以限制。這種設備可以永久地安裝在墻內，并從一個(gè)老式(非PoE)交換器連接至一根以太網(wǎng)數據線(xiàn)，且可穿越墻壁。這樣，插入墻上端口中的PD便能夠同時(shí)接收數據和功率。墻上適配器可以具有一個(gè)分配地址。在發(fā)生緊急情況時(shí)(從一個(gè)與該位置相連的VoIP電話(huà)發(fā)來(lái)呼叫)，這提供了幫助信息。一個(gè)應急反應小組將立即獲知呼叫發(fā)出的位置。

　　PoE功率輸送器

　　低功率Class 1 VoIP電話(huà)的功耗小于3.84W。然而，如果針對一個(gè)Class 3 PD進(jìn)行配置，則PD輸入端上的最大功率將達12.95W。PSE將為設備保存完整的端口功率，從而在PD上留下了接近9W的未用功率。該未用功率可被用來(lái)增添額外的電話(huà)功能(比如：用于電視會(huì )議的攝像機)。這里，LTC4263在電話(huà)中被用作一個(gè)至擴展設備的功率輸送器(圖4)。

　　一開(kāi)始，PSE通過(guò)PD接口控制器(在圖4中和LTC4257-1一起示出)對設備進(jìn)行檢測、分類(lèi)和上電。PD是針對Class 3進(jìn)行設定的，并在RCLASS上布設了一個(gè)電阻器。功率用于電話(huà)，剩余的功率通過(guò)一個(gè)DC/DC轉換器來(lái)使電壓回升至正確的PSE輸出電壓(壓降是由于電纜損耗和接口引起的)。由該新電壓加電的LTC4263負責提供擴展設備的檢測和安全上電。至攝像機的功率被加在空閑線(xiàn)對上，而數據則將通過(guò)位于數據線(xiàn)對上的以太網(wǎng)變壓器。

　　由于可供新增設備使用的功率不到9W，因此功率輸送器PSE只擁有適合Class 1(4W)或Class 2(7W)設備所需的足夠功率。于是，針對8W功率來(lái)設定LTC4263的電源管理功能(通過(guò)調整PWRMGT引腳上的電阻器阻值來(lái)實(shí)現)。這允許上述兩類(lèi)PD當中的任一種接通，而Class 3(15.4W)為拒絕功率。擴展設備的設計必須滿(mǎn)足Class 1或Class 2功率要求。當其級別提升電路被啟用時(shí)，如果PD違犯了其功率級別，則LTC4263將取消擴展設備的供電。功率輸送器設備本身必須確保其功率未超過(guò)與Class 1 PD相當的級別。如欲保持接通狀態(tài)，則總功率(功率輸送器設備功率與擴展設備功率之和)一定不得超過(guò)Class 3 PD的功率級別。

　　高功率解決方案

　　對于許多PD應用來(lái)說(shuō)，13W的功率級別可以滿(mǎn)足要求。不過(guò)，對具有更高功率的設備的需求正悄然興起。具附加無(wú)線(xiàn)電收發(fā)裝置的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)有可能使用18W或更高的功率。具有左右、上下、及鏡頭推進(jìn)／拉遠功能(PTZ)的攝像機的功耗可達60W。在這些場(chǎng)合中，PoE PD 13W的功率限值是無(wú)法滿(mǎn)足需要的。這種謹慎穩妥的功率級最初是針對標準而選擇的，但是，許多與以太網(wǎng)線(xiàn)路相連的設備對更高功率的需求卻正在呈現一種不斷攀升的勢頭。

　　IEEE已經(jīng)成立了一個(gè)委員會(huì )，專(zhuān)門(mén)負責定義一種新的高功率PoE標準。與此同時(shí)，高功率PoE已經(jīng)開(kāi)始在準標準系統中推行。LTC4263-1是在LTC4263的基礎上派生出的一款高功率版本，業(yè)已在高功率準標準解決方案中投入使用。這款新型PSE控制器可提供與LTC4263相同的PD檢測以及端口上電和斷電功能，但其電流限值超過(guò)了IEEE 802.3af標準中的設定值，從而使得兩個(gè)線(xiàn)對上的端口功率幾乎增加了一倍。標準是為適應當時(shí)的以太網(wǎng)產(chǎn)品而定義的。但是，隨著(zhù)電流的提高，人們還必須留意那些與電源路徑相連的設備。以太網(wǎng)變壓器就是一個(gè)例子。必須采用一個(gè)特殊的變壓器，它不僅能夠應對較高的功率，而且還能解決電源線(xiàn)路中的任何失衡問(wèn)題。

　　圖5示出了一個(gè)千兆位以太網(wǎng)系統中的高功率PSE、4線(xiàn)對可選項。在第一組數據線(xiàn)對上，LTC4263-1負責控制輸送至一個(gè)高功率PD的功率。在另一端，一個(gè)高功率PD接口控制器(LTC4264)負責接收功率并將其傳送至一個(gè)DC/DC轉換器。針對更高功率的一個(gè)可選項是：在第二組數據線(xiàn)對上增設一個(gè)LTC4263-1，并在接收端上增設一個(gè)自帶DC/DC轉換器的LTC4264。兩個(gè)DC/DC轉換器隨后進(jìn)行求和運算，提供了電流平衡作用，以補償變壓器、電纜和連接線(xiàn)之間的電阻差異、以及二極管的壓降差。新型產(chǎn)品將繼續涌現，以實(shí)現高功率PoE和標準的電源技術(shù)。