POE網(wǎng)口供電設(shè)備的負(fù)載裝置實(shí)現(xiàn)方法

0   引言

POE 即以太網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)，由電氣與電子工程師協(xié)會(huì)于2003 年6 月發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3af，它在IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上將直流電源耦合進(jìn)以太網(wǎng)技術(shù)，可以同時(shí)為接入的滿足要求的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)和提供電源。隨著近幾年互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)概念開(kāi)始興起，萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代即將到來(lái)。各式各樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)家居產(chǎn)品相繼面世，特別是一些有線接入的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如IP 電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、LED 照明燈、無(wú)線接入設(shè)備等，在接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要額外布置電源線和插座，給這些設(shè)備安裝帶來(lái)了諸多的不便。而帶POE功能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器就可以為這些設(shè)備直接供電，所以帶POE 功能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器的需求也越來(lái)越多。這些帶POE 網(wǎng)口的供電設(shè)備在認(rèn)證中需滿足GB4943.1? 2001標(biāo)準(zhǔn)或IEC 62368 ?1: 2018標(biāo)準(zhǔn)的要求：受試設(shè)備要在正常工作的最嚴(yán)酷條件下進(jìn)行試驗(yàn)^[1]和“向其他設(shè)備供電的設(shè)備的輸出電力，除直接與電網(wǎng)電源連接的插座和電氣插座外，要接上最不利的負(fù)載阻抗，包括短路^[7]”。這就要求帶POE 供電網(wǎng)絡(luò)的受試設(shè)備的POE 網(wǎng)口要滿負(fù)荷帶載試驗(yàn)，在沒(méi)有符合IEEE802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)備激活POE 網(wǎng)口的情況下，很難對(duì)POE 網(wǎng)口帶載，而普通的受電設(shè)備（如IP 電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）又不能使POE 端口滿負(fù)載輸出。所以設(shè)計(jì)一款符合IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的能使POE 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端口滿負(fù)載輸出的負(fù)載裝置在產(chǎn)品的認(rèn)證測(cè)試中就顯得極其重要。

1   以太網(wǎng)供電技術(shù)的介紹

1.1 以太網(wǎng)基礎(chǔ)

一般的交換機(jī)或路由器網(wǎng)口都采用RJ45 端口，傳輸介質(zhì)一般為無(wú)屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）。UTP 內(nèi)含8 跟導(dǎo)線，每根導(dǎo)線直徑約0.5 mm² ，兩兩相絞在一起，形成4 對(duì)，采用不同的顏色區(qū)分。RJ45 端口與UTP 連接一般采用TIA/EIA （電信工業(yè)協(xié)會(huì)/ 電子工業(yè)協(xié)會(huì)）568B 標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了UTP 線對(duì)2和線對(duì)3（共4 芯線）分別做發(fā)射和接收，分別接在RJ45 端口的針腳1（ Tx + ，發(fā)射正）、針腳2（ Tx ? ，發(fā)射負(fù)）和針腳3（ Rx + ，接收正）、針腳6（ Rx ? ，接收負(fù)）^[3]，而其他線對(duì)處于空閑狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 RJ45端口接線

設(shè)備入網(wǎng)時(shí)，將兩端都是RJ45 插頭的UTP 網(wǎng)線分別連接到網(wǎng)卡和交換機(jī)的RJ45 插座上，但網(wǎng)卡的發(fā)送/接收信號(hào)線必須與交換機(jī)的接收/ 發(fā)送信號(hào)線交叉相連，以保證網(wǎng)卡的接收端連接到交換機(jī)的發(fā)送端，網(wǎng)卡的發(fā)送端連接到交換機(jī)的接收端，如圖2 所示。UTP 線上的發(fā)送和接收線對(duì)是分開(kāi)的，這樣就不會(huì)在同一UTP 線對(duì)上出現(xiàn)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)沖突的現(xiàn)象，而且采用了一種沖突檢測(cè)機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)送線對(duì)和接收線對(duì)同時(shí)有信號(hào)時(shí)，就認(rèn)為產(chǎn)生沖突而停止工作。

圖2 交換機(jī)內(nèi)部信號(hào)線交叉

1.2 POE的工作原理

POE（power over ethernet）是指在原有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，為一些有線接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（IP 電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、LED 照明燈、無(wú)線接入設(shè)備等）提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮椭绷麟娫吹募夹g(shù)。POE 系統(tǒng)包括：提供電源的供電設(shè)備（power sourcing equipment，PSE）和使用電源的受電設(shè)備（PD，power device）。PSE 即POE 系統(tǒng)中提供電源的設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端口功率的規(guī)劃和管理。PSE 的供電方式有兩種：中跨方式（midspan）和端跨方式（endspan）。中跨方式是在以太網(wǎng)設(shè)備外部接入1個(gè)擴(kuò)展的電源設(shè)備，原有傳輸信號(hào)的線對(duì)保持不變，利用雙絞線中未使用的備用線對(duì)給設(shè)備供電。而端跨方式是將供電的控制電路集成到以太網(wǎng)設(shè)備中，在以太網(wǎng)供電控制電路的控制下，把電源加在以太網(wǎng)端口隔離變壓器的中心抽頭，利用UTP 線的傳輸線對(duì)為設(shè)備供電，或者利用UTP 線中未使用的備用線對(duì)給設(shè)備供電[2]。PD 設(shè)備是接收供電的PSE 負(fù)載，即POE 系統(tǒng)的客戶端^[3]，本文所要實(shí)現(xiàn)的負(fù)載裝置即PD 設(shè)備。

POE 供電系統(tǒng)的主要供電參數(shù)為^[4]：

1）供電電壓為(44~57) V，一般為48 V；

2）最大啟動(dòng)電流為500 mA，允許的最大電流為550 mA，工作的電流一般為：(10~350) mA，過(guò)載時(shí)的檢測(cè)電流為(350 ? 500) mA；

3）在空載條件下，最大電流不超過(guò)10 mA ；

4）為受電設(shè)備（PD）提供(3.84~12.95) W 5 個(gè)等級(jí)功率請(qǐng)求，最大不超過(guò)13 W [4]。POE 供電系統(tǒng)的工作過(guò)程為：

1）檢測(cè)：PSE 設(shè)備的端口輸出一個(gè)很小的檢測(cè)電壓，直到檢測(cè)到連接在線纜終端的設(shè)備是一個(gè)滿足IEEE802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備。

2）PD設(shè)備的分類：當(dāng)檢測(cè)到滿足要求的PD設(shè)備后，PSE 設(shè)備開(kāi)始為PD 設(shè)備分類，并根據(jù)PD 設(shè)備的要求分配功率等級(jí)。

3）開(kāi)始供電：在一個(gè)小于15 μs 的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，PSE 設(shè)備開(kāi)始從低壓開(kāi)始為PD 設(shè)備供電直到提供48 V的直流電壓為止。

4）供電：PSE 設(shè)備始為PD 設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的48 V 直流電源，并滿足PD 最大不超過(guò)13 W 的功率消耗。

5）斷電：當(dāng)PD 設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上斷開(kāi)時(shí)，PSE 設(shè)備會(huì)快速地在(300 ? 400) ms時(shí)間內(nèi)停止位PD設(shè)備供電，并重復(fù)步驟1 檢測(cè)線纜終端是否有滿足要求的受電設(shè)備^[4]。

當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到帶POE 功能的PSE 設(shè)備時(shí)，PSE 設(shè)備會(huì)先檢測(cè)接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否符合供電要求，若不符合POE 標(biāo)準(zhǔn)則只進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)轭~外的供電可能會(huì)損壞該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。檢測(cè)過(guò)程是PSE 給接入的設(shè)備提供一個(gè)電流受限的(2.0 ? 10.0) V的電壓，用于檢測(cè)該設(shè)備是否有符合POE 標(biāo)準(zhǔn)的25 kΩ 特性電阻。只有檢測(cè)到滿足要求的特性電阻，PSE 設(shè)備才會(huì)提供48 V直流電壓。接著PSE 設(shè)備會(huì)根據(jù)PD 設(shè)備的功率請(qǐng)求進(jìn)行分類，以高效的方式同時(shí)為不同PD 設(shè)備供電。PSE設(shè)備開(kāi)始供電后，會(huì)持續(xù)地監(jiān)測(cè)PD 設(shè)備的電流輸入，當(dāng)PD 斷開(kāi)連接或輸入電流小于10 mA 時(shí)，PSE 設(shè)備會(huì)停止供電并一直重復(fù)檢測(cè)過(guò)程。

標(biāo)準(zhǔn)的UTP 線中有四對(duì)雙絞線，但是在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)只用到其中的2 對(duì)（線對(duì)2 和線對(duì)3），POE 通過(guò)線纜供電時(shí)可以通過(guò)沒(méi)有使用的備用線對(duì)進(jìn)行供電，也可以用數(shù)據(jù)引腳進(jìn)行供電，兩種供電的電路如圖3 所示。當(dāng)使用備用引腳進(jìn)行供電時(shí)，4、5 引腳接為正極，7、8 引腳接為負(fù)極；當(dāng)使用數(shù)據(jù)引腳供電時(shí)，是將DC 電源加在網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭上，它是以共模輸出的方式加在雙絞線上，因而不會(huì)影響差模數(shù)據(jù)的傳輸，該方式下兩數(shù)據(jù)引腳線對(duì)是可以任意極性的。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)中不允許同時(shí)使用上述兩種情況，PSE 設(shè)備只能提供一種供電方式，但是PD 設(shè)備必須自動(dòng)適應(yīng)兩種供電方式。

2   受電設(shè)備負(fù)載裝置的實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入PSE 設(shè)備時(shí)，PSE 會(huì)監(jiān)測(cè)接入的設(shè)備是否滿足IEEE802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的PD 設(shè)備， 只有滿足要求的PD 設(shè)備，PSE 才會(huì)為PD 供電。所以設(shè)計(jì)的負(fù)載裝置必須是滿足IEEE 802.3af 的PD 設(shè)備。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)際芯片公司紛紛推出了具有自己特色的以太網(wǎng)供電管理芯片。對(duì)于PD 設(shè)備的電源管理芯片比較出名的有：德州儀器（T1） 的TP2370/TP2371/TP2375/TP23750、ADI 公司的LTC4257/LTC4257-1/LTC4267、美信公司（Maxim，2021 年被ADI 收購(gòu)）的MAX5940A/MAX5940B/MAX5941A/MAX5941B 等^[3]。本文受電設(shè)備負(fù)載裝置采用的是ADI公司的LTC4257 ?1芯片。LTC4257 ?1芯片具有可編程的分級(jí)電流、良好的互補(bǔ)電源輸出、內(nèi)置25 kΩ特征電阻、過(guò)熱保護(hù)機(jī)制、欠壓閉鎖保護(hù)等特性，其封裝和內(nèi)部原理如4 所示^[6]：

圖3 POE通過(guò)電纜供電的兩種接法

圖4 LTC4257-1芯片的封裝和內(nèi)部原理

由圖3 可知，PSE 設(shè)備有兩種供電方式，且當(dāng)使用數(shù)據(jù)線對(duì)進(jìn)行供電時(shí)，電源的極性是任意的，作為受電設(shè)備負(fù)載裝置必須適應(yīng)兩種方式，且能自動(dòng)識(shí)別出電源的正負(fù)極。負(fù)載裝置設(shè)計(jì)時(shí)可用二極管整流橋識(shí)別出電源的極性，同時(shí)用兩個(gè)同樣的二極管整流橋組成的邏輯或電路來(lái)適應(yīng)兩種PSE 供電方式，如圖5 所示。

圖5 受電設(shè)備負(fù)載裝置的前端接口電路

LTC4257 ?1的工作模式根據(jù)輸入電壓來(lái)決定，輸入引腳V_IN的電壓以引腳GND 為參考點(diǎn)，引腳GND 的電壓必須大于引腳V_IN的電壓，才能保證芯片正常工作。下面我們根據(jù)LTC4257 ?1的各個(gè)工作模式情況來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載裝置的電路設(shè)計(jì)。

偵測(cè)階段：一開(kāi)始供電設(shè)備提供一個(gè)(2.0~10.0) V的電壓給受電設(shè)備負(fù)載裝置，用于探測(cè)負(fù)載端是否有25 kΩ 的特性電阻，若存在，這負(fù)載裝置是滿足PSE 供電要求的PD 設(shè)備。有圖4 可知，在GND 引腳和VIN 引腳間串聯(lián)著一個(gè)9 kΩ 和16 kΩ（共25 kΩ ）的特征電阻。而在16 kΩ 電阻上又并聯(lián)一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型MOS 管，柵極外接到芯片的SIGDISA 引腳。可以通過(guò)SIGDISA引腳來(lái)控制MOS 管，即控制GND 引腳和VIN 引腳間的阻值，從而控制受電設(shè)備是否能被監(jiān)測(cè)到。本次設(shè)計(jì)的負(fù)載裝置希望一接到PSE 設(shè)備時(shí)就能被監(jiān)測(cè)到，這時(shí)只要將SIGDISA 引腳連接到VIN 引腳即可。

分級(jí)階段：當(dāng)PSE 設(shè)備監(jiān)測(cè)到滿足供電要求的負(fù)載時(shí)，PSE 設(shè)備將對(duì)負(fù)載裝置進(jìn)行功率分配，以滿足不同功率要求的負(fù)載裝置。一旦PSE 探測(cè)到負(fù)載端有25 Ω電阻時(shí)，PSE 的電壓上升到15.5 到20.5 V 之間。由圖4可知，此時(shí)GND 引腳和RCLASS 引腳導(dǎo)通，在RCLASS 引腳和VIN 引腳接入一個(gè)RCLASS 電阻，此時(shí)PSE 端可監(jiān)測(cè)通過(guò)RCLASS 電阻的電流來(lái)對(duì)負(fù)載裝置進(jìn)行功率分級(jí)。分級(jí)探測(cè)電路如圖6 所示，功率分級(jí)和RCLASS 電阻上的電流關(guān)系如表1 所示。從表1 可知，為了使PSE 設(shè)備滿最大功率輸出， RCLASS 的取值應(yīng)為45.3（ Ω ， 1% ）。在分級(jí)階段，VIN 引腳和VOUT 引腳間的MOS管始終是截止的，即VOUT 端沒(méi)有電壓輸出，能量沒(méi)有傳遞到芯片的后端。整個(gè)分級(jí)過(guò)程滿足IEEE 802.3af 的要求在75 ms 內(nèi)完成，以保證LTC4257 ?1不會(huì)因?yàn)榉旨?jí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)消耗大量能量而過(guò)熱保護(hù)。

供電階段：在偵測(cè)階段和分級(jí)階段后，PSE 供電電壓持續(xù)升高，當(dāng)GND 引腳和V_IN 引腳間的電壓大于ULVO 閾值時(shí)，GND 引腳和V_IN 引腳間的MOS 管導(dǎo)通，LTC4257 ?1將能量傳遞到后面的負(fù)載端，如圖7所示。

圖6 分級(jí)探測(cè)電路圖

圖7 欠壓保護(hù)（ULVO）結(jié)構(gòu)圖

斷電階段：PSE 設(shè)備有兩種方法來(lái)檢測(cè)PD 是否斷開(kāi)：直流斷路檢測(cè)方法：當(dāng)PSE 設(shè)備在檢測(cè)到PD 設(shè)備的電流在給定的時(shí)間內(nèi)TDIS (300 ? 400) ms保持低于閾值IMIN (5～10) mA時(shí)，就認(rèn)為 PD 設(shè)備是斷開(kāi)的，PSE 設(shè)備就會(huì)停止供電；交流斷路檢測(cè)方法：PSE 設(shè)通過(guò)向端口施加一個(gè)交流電壓，并監(jiān)測(cè)PD 設(shè)備的輸入電流，從而計(jì)算出PD 設(shè)備的交流輸入阻抗，只有當(dāng)交流阻抗小于26.2 kΩ ，才認(rèn)為有PD 設(shè)備相連，否則斷開(kāi)電路停止供電。

在認(rèn)證測(cè)試過(guò)程中，按GB4943.1? 2011標(biāo)準(zhǔn)要求：帶POE 功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須在滿負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行安規(guī)測(cè)試，以保證在最大功率下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也滿足認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求的。所以受電設(shè)備的負(fù)載裝置，必須使POE 設(shè)備的端口滿負(fù)載輸出12.95 W ，而一般POE 輸出電壓是48 Vdc ，從而可求得負(fù)載裝置的負(fù)載電阻約為178 Ω ，考慮到電阻前端的電路會(huì)有功率消耗，負(fù)載電阻采用4個(gè)5 W/47 Ω 的水泥電阻，其實(shí)現(xiàn)電路如圖8 所示。圖中的D10 為L(zhǎng)ED 燈，用于指示該端口是否被PSE 設(shè)備激活。一般帶POE 功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有多個(gè)POE 網(wǎng)口，所以受電設(shè)備的負(fù)載裝置也要有多個(gè)的PD 負(fù)載，單個(gè)端口就有近13 W 的功率，且負(fù)載端用的都是純阻抗，發(fā)熱量大，需要風(fēng)扇進(jìn)行散熱。本負(fù)載裝置風(fēng)扇采用DATA1238B8M 風(fēng)扇，規(guī)格為48 Vdc ， 0.23 A ，風(fēng)扇為可選配置，根據(jù)負(fù)載的發(fā)熱情況選擇性接入。由圖8 可知：當(dāng)未接入風(fēng)扇時(shí)， Q1 是導(dǎo)通的，POE 電壓直接給水泥電阻供電，當(dāng)接入風(fēng)扇時(shí)， Q1 截止，斷開(kāi)了水泥電阻，POE 電壓給風(fēng)扇供電。這樣就保證了單個(gè)POE網(wǎng)口都滿足以最大功率輸出，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載的情況。

圖8 受電設(shè)備負(fù)載裝置電路圖

3   結(jié)束語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是萬(wàn)物互聯(lián)的當(dāng)代，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需求也越來(lái)越大，設(shè)備的功率也越來(lái)越大。特別是帶POE 功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于本身自帶供電功能，給連接的受電設(shè)備帶來(lái)的方便，省去了電源布線的繁瑣。但是功率越大的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也存在更大的安全隱患，特別是帶多個(gè)POE 網(wǎng)口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，功率可達(dá)上千瓦。大功率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶來(lái)的是更大的發(fā)熱而引起的安全隱患，還有在大功率輸出狀態(tài)下和高溫狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電氣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不好。所以在做安全認(rèn)證時(shí)，必須保證這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在滿負(fù)載輸出時(shí)也符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)橹挥性谧顕?yán)酷的條件下滿足安規(guī)要求，才能保證在任何功率下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求。所以能使POE 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備滿負(fù)載輸出功率的受電設(shè)備負(fù)載裝置在安規(guī)認(rèn)證中是不可缺少的輔助測(cè)試設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑩,胡京平,李正,等.GB 4943.1-2011信息技術(shù)設(shè)備安全第1部分:通用要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[2]白占元,徐皚冬,譚彩虹,等.以太網(wǎng)供電技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量,2004(3):27-30.

[3]郭加明.太網(wǎng)在線供電系統(tǒng)——受電設(shè)備設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2007.

[4]李元世,丘東元.以太網(wǎng)供電電源控制器的研究[C].第四屆中國(guó)高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,重慶,2010.

[5]IEEE.IEEE Standard.802.802.afTM-2003[S].Amendmen tdata terminal equipment(DTE)power via media  dependantinterface(MDI).

[6]Linear TechnologyLTC4257-1.IEEE 802.3af of PD Power over Ethernet Interface Controller with Dual C u r r e n t L i m i t [ E B /O L ] . h t t p : / / w w w .datasheetcatalog.net/it/datasheet.pdf/L/T/C/4/LTC4257-1.sheet.

[7] IEC/TR 62368-1:2018 Audio/video,i n f o r m a t i o n a n dc o m m u n i c a t i o ntechnology equipment-Part2: Explanatoryinformation[S].2018.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）