低端口數(shù)PSE

　　IEEE 802.3af以太網(wǎng)供電(PoE)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：可通過以太網(wǎng)線路輸送48V電壓(在高達(dá)350mA的電流條件下)。從那以后，一大批采用PoE標(biāo)準(zhǔn)的新產(chǎn)品相繼面市，而且，具PoE功能的以太網(wǎng)接口的數(shù)量達(dá)到了幾百萬之多。

　　負(fù)責(zé)提供功率的設(shè)備是供電設(shè)備(PSE)。開發(fā)中跨PSE的目的是使不具備PoE功能的老式數(shù)據(jù)裝置能夠繼續(xù)使用(將其用作現(xiàn)有數(shù)據(jù)線上的饋電器)。端點(diǎn)PSE則實(shí)現(xiàn)了PoE功能與諸如路由器、集線器和交換器等數(shù)據(jù)設(shè)備的集成。當(dāng)PoE尚屬新事物的時候，中跨代表了那些有PoE需求、但不想更換其現(xiàn)有數(shù)據(jù)系統(tǒng)的廠商的首選PSE方案。不過，隨著PoE技術(shù)的日漸普及，端點(diǎn)PSE目前已成為市場上的主流產(chǎn)品。

　　PSE提供的功率通過以太網(wǎng)線路輸送至受電設(shè)備(PD)。此類設(shè)備通常主要包括IP語音通信(VoIP)電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和無線接入點(diǎn)(WAP)等產(chǎn)品。PD的應(yīng)用還擴(kuò)展到了更多獨(dú)特的領(lǐng)域，包括樂器、電池充電器和顯示系統(tǒng)。通過單根電纜來傳輸功率和數(shù)據(jù)在許多方面都被證明是極具價值的，包括免除了在PD上增設(shè)電源接線的需要以及創(chuàng)立了一個通用的電源標(biāo)準(zhǔn)。PoE在商業(yè)和工業(yè)市場上得到廣泛應(yīng)用已有好幾年了，而且目前正在進(jìn)入消費(fèi)產(chǎn)品市場。

　　基于IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PSE控制器用于執(zhí)行PD檢測、分類、端口接通、故障監(jiān)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。傳統(tǒng)上，這些控制器被設(shè)計(jì)在大型的12、24或48端口系統(tǒng)中，因而需要一個以上的IC。有些控制器能夠自主運(yùn)行，但大多數(shù)應(yīng)用都是采用一個微控制器來逐個執(zhí)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類別信息。微控制器隨后對該信息進(jìn)行“翻譯”，以執(zhí)行諸如用戶接口和電源管理等操作。

　　對于Class 3，要求一個PSE端口輸出15.4W的功率(表1)，因此，向每個端口提供滿功率將需要一個很大的電源(即：15.4W x 24個端口 = 370W)。為了解決這一問題，IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)賦予了PD一個可選項(xiàng)，用于根據(jù)PD將會消耗的最大功率來為PSE提供功率級別信息。通過采用一個負(fù)責(zé)執(zhí)行電源管理的微控制器，這將實(shí)現(xiàn)電源尺寸的縮減。

　　圖1示出了基本電源管理操作的一個例子。在設(shè)定了初始可用功率并檢測到一個PD之后，讀出該P(yáng)D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(dāng)PD斷接時，端口被關(guān)斷，抽取的功率將被加回到可用功率中。

　　通過始終監(jiān)視按照PD的功率級別而在每個端口上分配的功率，即可根據(jù)剩余功率來確定其是否足以為更多的PD供電。如果某個端口發(fā)生故障或者剩余功率不足，則阻止PD執(zhí)行上電操作，該狀態(tài)信息可通過一個用戶接口(如果有的話)讀回。

　　單端口PSE控制器

　　多通道控制器適用于大型多端口設(shè)備，不過，有許多應(yīng)用只需要具有PoE功能的單端口或低端口數(shù)PSE。對于這些應(yīng)用而言，通常僅采用多通道控制器當(dāng)中的一個，而未用通道則被浮置。PSE控制器的領(lǐng)先供應(yīng)商凌力爾特公司推出了LTC4263，這是一款面向此類應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的PD檢測、分類、端口接通、故障監(jiān)視以及AC或DC斷接檢測功能。此外，一個高效LED驅(qū)動器還負(fù)責(zé)通過單個LED為用戶提供端口狀態(tài)信息，以指示端口接通或故障?？蛇x項(xiàng)包括一個中跨延時定時器、老式設(shè)備檢測以及通過將其各自的引腳連接至VSS或VDD5來設(shè)定的功率級別提升。LTC4263的一個獨(dú)特之處是其簡單的電源管理功能，在多端口應(yīng)用中，可利用一個在多個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執(zhí)行上述電源管理功能，則可通過多個LTC4263所共用的一個PWRMGT引腳來完成。LTC4263的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其無需微控制器干預(yù)的獨(dú)立型運(yùn)作能力。

　　除了免除了微控制器及其外圍元件以外，LTC4263還具有一個用于正確開關(guān)負(fù)電源軌的板載功率MOSFET，以及一個內(nèi)置AC斷接信號和數(shù)字電源。圖2示出了一款與LTC4263配合操作且元件數(shù)目極少的電路。接入了一個隔離型48V電源，并由它向LTC4263輸送功率。旁路電容器被布設(shè)在輸入電源引腳VDD48以及5V內(nèi)部生成電源(在VDD5上引出)上。輸出線(48V正電源軌和開關(guān)負(fù)電源軌)外接至RJ45端口線路。如果通過數(shù)據(jù)線對，則這些輸出線將被連接至以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭。否則它們將直接連接至空閑線對。一個58V瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和一個0.1mF電容器有助于防止在端口上出現(xiàn)電壓瞬變、過壓和反向電壓。還可以采用一個可選的1A熔絲來滿足安全性要求。這款低元件數(shù)解決方案實(shí)現(xiàn)了小于單個RJ45連接器的布局面積。與多通道PSE相比，單端口PSE在布局上的另一個優(yōu)點(diǎn)是元器件的排版?？梢园迅鱾€控制器電路布設(shè)在以太網(wǎng)端口的后面或附近，而不是經(jīng)由很長的印制線會合于共用的控制器。還可以把一個58V TVS放置在其設(shè)計(jì)用于保護(hù)的控制器的近旁。簡化的布局還有助于滿足IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中所提及的隔離要求，這一點(diǎn)在PSE設(shè)計(jì)中有時會被忽視。

　　把控制器和MOSFET分散至各個端口還有利于改善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(dāng)PSE被封閉于一個致密空間(例如：一個集成RJ45連接器)當(dāng)當(dāng)中的時候，改善效果最為明顯。

　　其他可選項(xiàng)(圖2中未示出)是LED連接和AC斷接。一個具有電流設(shè)定電阻器的LED與LED引腳相連。LED驅(qū)動器還能夠起一個開關(guān)電流源的作用(以提高功率效率)，只需增設(shè)一個電感器和二極管。在需要用AC斷接代替DC斷接的應(yīng)用中，只需利用OSC引腳上的一個電容器(負(fù)責(zé)設(shè)定內(nèi)部振蕩器頻率)、ACOUT引腳上的一個RC網(wǎng)絡(luò)(用于把AC信號加至端口)、和一個位于負(fù)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(shè)備具有不同的電壓和功率要求。具PoE功能的設(shè)備(PD)內(nèi)置了其特有的DC/DC轉(zhuǎn)換電路，因而并不依賴于和電壓合適的墻上適配器相連。當(dāng)揣著這樣的設(shè)備外出旅行時，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，在無法使用PoE但又需要為諸如電池充電器等裝置供電的場合，一個簡單的墻上適配器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。功率通過一個AC/DC轉(zhuǎn)換器來提供PoE電源。這種簡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(xiàn)了PD的安全檢測和上電。如果有一個非PoE裝置與該墻上適配器相連，則用戶還能夠從一個由LTC4263驅(qū)動的LED讀出基本的故障信息。如果在一個墻上適配器上需要不止一個端口，則可采用多個LTC4263來實(shí)現(xiàn)一個PoE墻上適配器擴(kuò)展器。電源管理功能可由LTC4263來提供，并根據(jù)電源的功率限值來設(shè)定。這將限制那些被加電及具有特定功率級別的端口數(shù)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。只要未超過設(shè)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Class 3 PD首先上電，則分配給受電設(shè)備的15.4W功率將剩下足以為滿足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(dú)立的(電源管理除外)。在端口需要彼此隔離的場合，這也是有用的。此時，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(shè)備可以永久地安裝在墻內(nèi)，并從一個老式(非PoE)交換器連接至一根以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線，且可穿越墻壁。這樣，插入墻上端口中的PD便能夠同時接收數(shù)據(jù)和功率。墻上適配器可以具有一個分配地址。在發(fā)生緊急情況時(從一個與該位置相連的VoIP電話發(fā)來呼叫)，這提供了幫助信息。一個應(yīng)急反應(yīng)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電話的功耗小于3.84W。然而，如果針對一個Class 3 PD進(jìn)行配置，則PD輸入端上的最大功率將達(dá)12.95W。PSE將為設(shè)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增添額外的電話功能(比如：用于電視會議的攝像機(jī))。這里，LTC4263在電話中被用作一個至擴(kuò)展設(shè)備的功率輸送器(圖4)。

　　一開始，PSE通過PD接口控制器(在圖4中和LTC4257-1一起示出)對設(shè)備進(jìn)行檢測、分類和上電。PD是針對Class 3進(jìn)行設(shè)定的，并在RCLASS上布設(shè)了一個電阻器。功率用于電話，剩余的功率通過一個DC/DC轉(zhuǎn)換器來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(fù)責(zé)提供擴(kuò)展設(shè)備的檢測和安全上電。至攝像機(jī)的功率被加在空閑線對上，而數(shù)據(jù)則將通過位于數(shù)據(jù)線對上的以太網(wǎng)變壓器。

　　由于可供新增設(shè)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(shè)備所需的足夠功率。于是，針對8W功率來設(shè)定LTC4263的電源管理功能(通過調(diào)整PWRMGT引腳上的電阻器阻值來實(shí)現(xiàn))。這允許上述兩類PD當(dāng)中的任一種接通，而Class 3(15.4W)為拒絕功率。擴(kuò)展設(shè)備的設(shè)計(jì)必須滿足Class 1或Class 2功率要求。當(dāng)其級別提升電路被啟用時，如果PD違犯了其功率級別，則LTC4263將取消擴(kuò)展設(shè)備的供電。功率輸送器設(shè)備本身必須確保其功率未超過與Class 1 PD相當(dāng)?shù)募墑e。如欲保持接通狀態(tài)，則總功率(功率輸送器設(shè)備功率與擴(kuò)展設(shè)備功率之和)一定不得超過Class 3 PD的功率級別。

　　高功率解決方案

　　對于許多PD應(yīng)用來說，13W的功率級別可以滿足要求。不過，對具有更高功率的設(shè)備的需求正悄然興起。具附加無線電收發(fā)裝置的無線接入點(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(yuǎn)功能(PTZ)的攝像機(jī)的功耗可達(dá)60W。在這些場合中，PoE PD 13W的功率限值是無法滿足需要的。這種謹(jǐn)慎穩(wěn)妥的功率級最初是針對標(biāo)準(zhǔn)而選擇的，但是，許多與以太網(wǎng)線路相連的設(shè)備對更高功率的需求卻正在呈現(xiàn)一種不斷攀升的勢頭。

　　IEEE已經(jīng)成立了一個委員會，專門負(fù)責(zé)定義一種新的高功率PoE標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，高功率PoE已經(jīng)開始在準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中推行。LTC4263-1是在LTC4263的基礎(chǔ)上派生出的一款高功率版本，業(yè)已在高功率準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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，但其電流限值超過了IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)定值，從而使得兩個線對上的端口功率幾乎增加了一倍。標(biāo)準(zhǔn)是為適應(yīng)當(dāng)時的以太網(wǎng)產(chǎn)品而定義的。但是，隨著電流的提高，人們還必須留意那些與電源路徑相連的設(shè)備。以太網(wǎng)變壓器就是一個例子。必須采用一個特殊的變壓器，它不僅能夠應(yīng)對較高的功率，而且還能解決電源線路中的任何失衡問題。

　　圖5示出了一個千兆位以太網(wǎng)系統(tǒng)中的高功率PSE、4線對可選項(xiàng)。在第一組數(shù)據(jù)線對上，LTC4263-1負(fù)責(zé)控制輸送至一個高功率PD的功率。在另一端，一個高功率PD接口控制器(LTC4264)負(fù)責(zé)接收功率并將其傳送至一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。針對更高功率的一個可選項(xiàng)是：在第二組數(shù)據(jù)線對上增設(shè)一個LTC4263-1，并在接收端上增設(shè)一個自帶DC/DC轉(zhuǎn)換器的LTC4264。兩個DC/DC轉(zhuǎn)換器隨后進(jìn)行求和運(yùn)算，提供了電流平衡作用，以補(bǔ)償變壓器、電纜和連接線之間的電阻差異、以及二極管的壓降差。新型產(chǎn)品將繼續(xù)涌現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)高功率PoE和標(biāo)準(zhǔn)的電源技術(shù)。