切勿忽視POE應用中的電纜和連接器失衡

信息時代的成功典范之一就是局域網(wǎng) (LAN) 的出現(xiàn)。通過把 PC 及其外設互相連到一個共同的網(wǎng)絡中，您可以分享所有信息，分擔每個人的工作。隨著實施成本穩(wěn)步降低，LAN 連接使您現(xiàn)在能夠使用您曾經(jīng)在經(jīng)濟上承受不起的設備。IP 電話、網(wǎng)絡攝像機、無線接入點、家庭自動化、建筑物管理只是其中幾個例子而已。
　　在一些市場上，為連接的設備供電的相關費用為 LAN 互連制造了障礙。為了控制這些費用，IEEE 802.3 工作組目前正在開發(fā)一項 POE 標準，即 IEEE 802.3af，它將使數(shù)據(jù)鏈路能夠為每臺連接的設備提供多達 12.95W 的未穩(wěn)壓直流電。
　　供電設備 (power-sourcing equipment, PSE) 把幻象電流注入變壓器的中心抽頭，在這兒，幻象電流被一分為二，并穿過兩對平衡傳輸線路中的某一對（圖 1）。在遠端，這兩股電流進入一個變壓器，重新結合，形成受電設備 (powered device, PD) 的電源。該設備的返回路徑使用另一對平衡傳輸線路。這項建議標準把總電流設為 350mA（即每條路徑 175mA），這是設備能夠連續(xù)獲取的最大電流。

圖 1，PSE 把幻象電流注入變壓器的中心抽頭，在這兒，幻象電流被一分為二，并穿過兩對平衡傳輸線路中的某一對。在遠端，這兩股電流進入一個變壓器，重新結合，形成受電設備的電源。


圖 2，在實施 POE 的過程中，您始終都應該考慮電纜的電阻失衡。一個典型的電纜通道能夠包含 5 條互連線路和 100 米線纜。

　　在實施這個方案的過程中，有一個缺點您始終都應該考慮，那就是電纜的電阻失衡。一個典型的電纜通道能夠包含 5 條互連線路和 100 米線纜（圖 2）。這項建議標準規(guī)定，通道的兩條路徑之間的電阻差額不能超過兩條路徑總電阻的 3%，計算如下：
　方程 1
　　其中 RMAX 電阻較高路徑的電阻，RMIN是電阻較低路徑的電阻。
　　在電流最大時，該失衡等于變壓器核心上10.5mA的偏流。在各種公差和溫度條件下，100BaseTX 應用的變壓器的最低電感為 350μH，直流偏流不超過 8mA。如果變壓器只能容忍這么大的偏流，那么在變壓器達到 267mA （見方程 2）的飽和值之前，它會降低供電設備能夠交付的最大電流。
方程 2
　　考慮這樣一種情形，只有一條 5 m軟線 (patch cable) 分隔供電設備和受電設備。這種不符合建議標準的情形，能導致電流失衡值超過 42mA。您可以核實這一事實，方法是把方程 3 中的 RB 設為零，并解出 IIMBAL。

圖 3，為了把電流能力恢復為 350mA，您需要穩(wěn)流電路。這種解決電纜和連接器失衡問題的方法，在傳輸通道和接收通道的各端都利用了兩個電阻器。

　　為了把電流能力恢復為 350mA，您必須采用穩(wěn)流電路。圖 3 詳細描繪了一種利用兩個電阻器解決電纜和連接器失衡問題的方法。請注意，傳輸通道和接收通道的各端都需要穩(wěn)流電阻器。增加電容器，并與電阻器并聯(lián)，可以幫助把穩(wěn)流電阻器導致的信號損耗降至最低程度。您應該選用電容器，以便在最低的信號頻率時，實現(xiàn)低阻抗。雖然電容器的值取決于實施情況，但如果選用0.22μF電容器，則在 100kHz 時，損耗小于 0.5dB。
　　表 1 詳細說明了在最低溫度和最高溫度時，不同電纜尺寸的電阻。后面的計算利用這些電阻值來求連接器失衡值和電壓降。

表1 電纜阻抗

　　為了計算穩(wěn)流電阻，典型的最大配置使用了 5 個連接器。在每個連接點，一個觸點的測量值為 0Ω，另一個觸點的測量值為 0.02Ω，這是 IEC 512-2 允許的最大電阻。而且，模型使用了一條 5米長的 22 AWG 電纜，這是因為較長的電纜可以減少連接器的影響在失衡中的比重。描述這一相互作用的方程如下：
　　方程 3
　　其中 IOUT（來自 PSE 的最大電流）=350mA，IIMBAL（兩對線路之間的電流差額）=58mA，RC（5m 22 AWG 電纜）=0.24Ω，RB（穩(wěn)流電阻）=6.6Ω，RCONN（5 個連接器的觸點總電阻）=0.1Ω.
　　在這些條件下，最壞情形下的電流失衡值為 6.25mA。使用 3.3Ω 鎮(zhèn)流電阻器，可以提高與電纜有關的總電壓降，提高幅度為：
　　　方程 4
　　建議標準要求，供電設備提供的最低電壓應超過 44V，受電設備的最高電壓不超過 36V。在最大電流時，這個 8V 的余量允許供電設備和受電設備之間的各條傳導路徑的電阻高達 45.7Ω。即使在最壞情形的溫度條件和公差條件下，使用 3.3Ω 鎮(zhèn)流電阻器，并與 100m 26 AWG 電纜串聯(lián)，也能提供 0.28V 的余量：
　方程 5
　　在過流情況下，穩(wěn)流電阻器會產(chǎn)生最壞情形功率耗散，建議標準把它設為 450mA。在這種情況下， 穩(wěn)流電阻器的額定瓦數(shù)為：
　　　方程 6
　　因此，額定值為 0.25W 的電阻器滿足要求。
　　有了 IEEE 建議的最新標準，功率要求不高的 LAN 設備現(xiàn)在可以選擇從中央集線器獲得電力。不過，采用這一功能時，您應該考慮增加穩(wěn)流電阻器，來消除使絕緣變壓器飽和的可能性。
　　實施穩(wěn)流電阻器的一種替代方法是設計一個定制的磁性模塊，它能夠適應更大的偏移電流。這種方法的不利方面是成本更高，模塊尺寸更大，這主要是由于該設計需要更大的磁性結構。而且，當用最短距離把供電設備和受電設備分隔開的時候，電流可能為 42mA，設計一種能容忍這種情況的變壓器，在經(jīng)濟上是不現(xiàn)實的。
　　當然，您可以選擇什么都不做，這種情況下，變壓器可能會飽和，而信號恢復工作將由物理層芯片中的基線游離糾正電路來承擔。糟糕的是，一些現(xiàn)有的 LAN 芯片缺乏此類電路。