如何從PoE過渡至PoE+

2003年，針對以太網(wǎng)供電(PoE+)的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)為以太網(wǎng)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，即通過以太網(wǎng)同時(shí)傳輸DC功率和10/100/1000Mbps數(shù)據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了12.95W的標(biāo)稱傳輸功率，對于早期接受這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用(包括標(biāo)準(zhǔn)VoIP電話、安全攝像機(jī)和無線接入點(diǎn))來說，該功率綽綽有余。自此之后，PoE基礎(chǔ)設(shè)施在業(yè)界變得十分普遍。與此同時(shí)，人們對于附加功能和較高功率的需求也有了顯著的增長。固定安全攝像機(jī)逐漸獲得了全動(dòng)感視頻，無線接入點(diǎn)能夠在更遠(yuǎn)的距離上提供更高的信號強(qiáng)度，而VoIP電話則可提供視頻和外設(shè)支持。為對功能的增加提供支持，這些受電設(shè)備(PD)需要從PSE(供電設(shè)備)獲取超過最初PoE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的功率。人們開始考慮制定基于IEEE802.3af規(guī)范的IEEE802.3at(亦稱PoE+)標(biāo)準(zhǔn)，旨在適應(yīng)新的高功率應(yīng)用需求。

　　PoE+滿足高功率需求

　　需要進(jìn)行謹(jǐn)慎工程設(shè)計(jì)的領(lǐng)域之一是將被用來實(shí)現(xiàn)PSE和PD相互識別的新型分級機(jī)理。實(shí)現(xiàn)這種相互識別需具備以下能力：PSE可以正確地為802.3af(也稱作Type 1硬件)和802.3at(Type 2硬件)PD供電；可以由802.3at PSE來為802.3af PD供電；802.3at PD可以知曉它們是否具有其較高負(fù)載所需要的完整可用功率。每種組合都需要擁有一種明確定義和一致的工作特性，以保持802.3標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部的互操作性。借助一種更加精細(xì)的硬件分級機(jī)理和一種新型數(shù)據(jù)層機(jī)理，這種相互識別能力在PoE+中得以實(shí)現(xiàn)。

　　PoE+增添了一種被稱為“兩事件分級”的新型硬件分級，并要求PSE必需重復(fù)進(jìn)行兩次802.3af電壓探測。PD的每次電壓探測都將導(dǎo)致吸收單個(gè)電流脈沖(圖1)，這對應(yīng)于一個(gè)特定的功率級。作為開始，PSE將在數(shù)據(jù)或備用線對上確定一個(gè)約15.5V至20.5V的電壓脈沖。PD以一個(gè)高達(dá)40mA的電流做出響應(yīng)，該電流把4種功率等級之一傳送至PSE。雙脈沖是一個(gè)發(fā)送至PD的指示信號，表明連接的PSE確實(shí)是一個(gè)高功率PSE，能夠提供與802.3at功率相關(guān)聯(lián)的較高功率級。802.3at PD以一個(gè)Class 4電流做出響應(yīng)，由此向PSE傳遞這樣的信息：自己是一個(gè)需要完整可用功率的高功率PD。802.3af中的Layer 1分級方法提供了一種可任選的方法，供PSE向PD發(fā)出詢問信號以確定PD的功率需求。然而，在802.3at規(guī)范中，目前指令要求Type 2 PSE至少應(yīng)執(zhí)行單事件硬件分級。

　　除了硬件分級的升級之外，PoE+特別工作組還定義了一種被稱為鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)的新型數(shù)據(jù)層(Layer 2)分級，用于實(shí)現(xiàn)PSE和PD之間的通信。一旦建立了一條鏈路，PSE和PD便能夠采用LLDP來確定PD的功率需求。LLDP的運(yùn)用使得PSE能夠反復(fù)詢問PD并確定PD的狀態(tài)及其功率需求。利用該機(jī)理，如今可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率分配，此時(shí)，PSE能夠連續(xù)地分配功率至PD(以0.1W為增量)，而且PD可以提出請求，并隨后交出功率。通過Layer 2進(jìn)行的通信實(shí)現(xiàn)了用于獲得諸如峰值功率、平均功率和占空比等更多信息的高級功能。隨著系統(tǒng)朝著更“綠色”電源環(huán)境的方向發(fā)展，這種動(dòng)態(tài)功率分配肯定將成為一個(gè)重要的特點(diǎn)。LLDP是一種用于PSE的任選分級機(jī)理，但必需由PD來執(zhí)行。如果PSE僅執(zhí)行單事件分級，則PD可以通過LLDP協(xié)議來協(xié)商獲取較高的功率。圖1給出了PoE+采用的這兩種分級方法。

　　有兩類PSE，即“中跨”和“端跨”。顧名思義，被稱為“功率注入器”的中跨控制器負(fù)責(zé)將功率注入現(xiàn)有的以太網(wǎng)電纜，并被放置于LAN交換器和受電設(shè)備之間。數(shù)據(jù)不經(jīng)修改地通過一個(gè)中跨PSE進(jìn)行傳送。由于無需更換交換器，因此這些控制器尤其便于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的PoE安裝。另一方面，端跨設(shè)備則是一種具內(nèi)置PoE能力的交換器(因而無需中跨)。當(dāng)從頭開始構(gòu)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用端跨PSE。由于中跨僅可以使用電源層，因此它們運(yùn)用PoE+中的新型兩事件分級來表達(dá)高功率能力。LLDP使用數(shù)據(jù)層，因此端跨控制器可以選擇運(yùn)用這種附加分級法來與PD協(xié)商功率。

　　對于PoE系統(tǒng)而言，有兩個(gè)截然不同用于定義功率的位置，即：PSE輸出連接器和PD輸入連接器。PoE+規(guī)范中更加重要的改進(jìn)之一是將電流的上限值規(guī)定為600mA。現(xiàn)在，PSE必須要能夠連續(xù)提供至少600mA的電流和一個(gè)50V的最小輸出電壓。這轉(zhuǎn)化為一個(gè)30W的PSE輸出功率。電纜電阻的模型化設(shè)計(jì)值不大于12.5Ω，因而在PD連接器上產(chǎn)生了25.5W的可用功率。有必要把48V轉(zhuǎn)換效率考慮在內(nèi)，這樣最終傳輸至PD負(fù)載的可用功率約為24.6W。

　　對于較高功率的需求當(dāng)然是由市場驅(qū)動(dòng)的，而且目前對可提供超出現(xiàn)行12.95W限值的功率的PD電源解決方案的需求已經(jīng)很強(qiáng)烈?，F(xiàn)在許多高耗能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都提出了更高的功率要求。那么，電路設(shè)計(jì)師如何應(yīng)對他所面臨的高功率需求呢？解決方案是：采用由凌力爾特(Linear)公司提供的并符合新型PoE+標(biāo)準(zhǔn)的PSE和PD產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些產(chǎn)品滿足新標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的功率限值，而且還可為專有應(yīng)用提供更高的功率。

　　PoE+ PSE設(shè)計(jì)方案

　　目前所面臨的挑戰(zhàn)是PSE制造商必需將高功率PoE+端口迅速投入實(shí)際應(yīng)用。針對PoE+標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)有PSE設(shè)計(jì)的升級需要滿足以下要求：能夠在不增加誤碼率的情況下接受更多偏置電流的改進(jìn)型以太網(wǎng)磁性元件；具較高截止電流門限的新型PSE控制器芯片；視所采用的控制器芯片的不同，有可能需要使用具較大安全工作區(qū)(SOA)的較大MOSFET；較大的主電源；可能需要對各種各樣的元件(例如連接器、熔斷器、共模扼流圈、瞬態(tài)電壓抑制器二極管、電流檢測電阻器和EMI濾波器)進(jìn)行升級以提供較高的電流。

　　所有這些元件在市面上均有供貨，而且802.3at磁性元件和芯片常?？梢院唵蔚刂苯犹娲?02.3af同類產(chǎn)品。盡管在將PSE從802.3af過渡至802.3at時(shí)需要進(jìn)行很多設(shè)計(jì)變更，但我們將重點(diǎn)關(guān)注有助于這種過渡的關(guān)鍵元件——PoE+ PSE控制器。

　　凌力爾特的LTC4266(見圖2)是市面上首個(gè)完全符合802.3at標(biāo)準(zhǔn)的四通道PSE控制器，而且向后兼容至廣受歡迎的802.3af器件LTC4259A。LTC4266不僅為PD提供了新標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求的功率級，而且還向后兼容最初的PoE標(biāo)準(zhǔn)，因而使得用戶能夠混合并匹配多達(dá)4個(gè)PoE和PoE+ PD。如前文所述，為符合802.3at標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)PSE必須要能夠在PSE連接器的輸出端上提供30W功率，這樣在補(bǔ)償了電纜損耗之后可向PD輸送25.5W功率。LTC4266可提供30W功率，但它是在大幅度降低熱耗散的情況下做到這一點(diǎn)的。