什么是以太網(wǎng)供電(POE)?它是一項使用LAN網(wǎng)絡來同時傳輸電源和數(shù)據(jù)的技術仲翎。POE技術允許在現(xiàn)有的五類線沮汇、超五類線和六類線網(wǎng)絡上安全可靠地傳輸功率高達15W的48V電源,特別適合于通信方面的應用尼软。例如,它可以用來為13W(在被供電設備側測量)范圍內(nèi)的IP電話、WLAN接入點喳律、網(wǎng)絡攝像機和其他各類網(wǎng)絡終端供電周狱。以太網(wǎng)供電也被稱為局域網(wǎng)供電,基于IEEE802.3af標準。

PoE的主要優(yōu)點

以太網(wǎng)供電設備持續(xù)大量涌現(xiàn),是因為在現(xiàn)有的標準五類線網(wǎng)絡上的使用方便性所致赤朽。因此,不需要改進和破壞現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎網(wǎng)絡稿辙。

PoE有很多的優(yōu)點,例如只需往設備上拉一套線,這就簡化了安裝并節(jié)省空間。它利用支持網(wǎng)絡的不間斷電源(UPS),使得在停電期間業(yè)務也不中斷,另外還簡化了安裝气忠。

無需為電工付出高昂的安裝費,或者因為電工的工作日程而導致安裝的延遲,從而既省了時間又省了錢邻储。進一步說,設備可以方便地移到能夠布設LAN網(wǎng)絡的任何地方。因為在工作范圍內(nèi)的任何地方都沒有干線電源電壓,從而還保證了安全性旧噪。采用UPS還能在主干電網(wǎng)故障時持續(xù)為用戶供電吨娜。

用戶可以使用SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)網(wǎng)絡基礎設施來監(jiān)控和控制設備,以及進出設備的數(shù)據(jù)傳輸。因此,可以用中心管理的方式對設備進行遠程管理淘钟、關機或重啟宦赠。

何為IEEE802.3af標準

先進的以太網(wǎng)與傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡在很多方面是相同的。通常都是在非屏蔽的雙絞線上傳輸數(shù)據(jù)和語音,通常采用星形網(wǎng)絡米母。

然而兩者的差別在于,傳統(tǒng)的電話機由傳送數(shù)據(jù)或語音的同一根線來供電,以太網(wǎng)設備卻不是,而是需要一個本地電源勾扭。

特別制訂的IEEE802.3af標準,將這一點全部改變,因為它允許中央電源通過RJ-45連接器來提供48V DC,功率可高達13W。802.3af通過以太網(wǎng)絡解決了為設備供電方面的所有問題铁瞒。

圖1:支持PoE功能的終端設備直接掛接到交換機上妙色。

圖2:支持PoE功能的終端設備掛接到中間跨接設備上。

圖3:單端口PSE和PD的方框圖慧耍。

圖4:分別利用電纜中的數(shù)據(jù)線和空余線來傳輸電源身辨。

圖5:利用中間跨接方式將電源插入到網(wǎng)絡中。

圖6:實現(xiàn)認證簽名的電阻值的有效區(qū)域甫蹄。

圖7:以太網(wǎng)設備的簽名檢測和分級電壓。

圖8:以太網(wǎng)設備的分級電路和級別淀甘。

簡單地說,該標準定義了兩個可選的電源實體的功能特性和電氣特性缚粮。一個是以太網(wǎng)設備(PD),而另一個則是電源設備(PSE)。被用于標準定義的物理層上风镊。該標準規(guī)定的是這兩個設備或實體,如何利用與數(shù)據(jù)傳輸所用相同的普通電纜來提供電源或吸納電源囊叛。

DTE供電的目的是為10BASE-T,100BASE-TX,或1000BASE-T設備提供一個單接口,同時提供所需的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理所需的電源。

早期的POE實現(xiàn)將不會與802.3af發(fā)生沖突,而且所能實現(xiàn)的功率等級并期望能夠解決未來的應用满颂。目前我們已經(jīng)開始討論30W功率傳輸?shù)姆桨浮?

IEEE802.3af規(guī)范

為了滿足IEEE802.3af標準,電源設備輸出電壓應該位于44V到57V之間,在正常情況下最大輸出電流為350mA学蟀。輸出連續(xù)功率大約為15.4W射愧。

對于以太網(wǎng)設備端,即客戶端,設備的輸入電壓要求位于37到57V之間。

平均輸入功率為12.95W,輸入峰值電流為400mA户虐。

?PSE輸出電壓:44～57V

?PSE正常模式最大輸出電流:350mA

?PSE連續(xù)輸出功率:15.4W

?PD輸入電壓:37～57V

?PD輸入平均功率:12.95W

?PD輸入峰值電流:400mA

PoE架構的類型

定義了兩種典型的實現(xiàn)方案卓俱。一個是如下圖所示的端點設備(End Point),可用于POE交換機。應注意這種端點應用設備掛在交換機上,而電源來自交換機紊荞。

另一個應用或實現(xiàn)方案被稱為“中間跨接(Mid Span)”,具體描述如下庶艾。設計師或用戶可以在交換機和端點設備之間的某個位置插入電源,即Mid Span設備有一個端口,在這里將電源插入到網(wǎng)絡中,從而使得掛到該Mid Span上的被供電設備能夠獲取電源。

POE系統(tǒng)和架構

為了解釋POE系統(tǒng)的工作原理,請看一個簡單的單端口POE系統(tǒng)的方框圖擎勘。它包括一個電源設備(PSE),這是一個集線器,或者位于左手邊所示的交換機,而右邊則是一個位于終端應用側的以太網(wǎng)設備(PD,被供電設備)咱揍。PD將提供像IP電話和網(wǎng)絡攝像這類的典型應用。從方框圖的左側,PSE將通過五類電纜中的數(shù)據(jù)線或多余的線來提供電源,然后送到以太網(wǎng)的設備端(PD)棚饵。在饋入電源器件——如飛思卡爾公司的MCZ34670之前,設計師將通過一個中心抽頭變壓器來提取該電源(如果用的是數(shù)據(jù)線的話)煤裙。

端點PSE應用

讓我們看一下終點PSE應用的電源分配。

基本上,終點PSE應用有兩個選項噪漾；即上面所示的A或B硼砰。A架構采用局域網(wǎng)五類線的數(shù)據(jù)線對來傳輸電源。事實上電源疊在數(shù)據(jù)線對上怪与。在802.3af中,供電是利用鏈路兩端的發(fā)射和接收變壓器的次級線圈中心抽頭來實現(xiàn)的夺刑。

在B方案中,如下面圖所示,它用的是空余線,工程師可以很簡單地在這些空余線上傳輸電源。

總的來說,有兩種方法來插入和提取電源分别。一種是利用數(shù)據(jù)線,即將電源疊在數(shù)據(jù)的上面遍愿。另一種是利用空余的線來直接傳輸電源。

Mid Span PSE應用

Mid Span配置非常有用,該架構允許電源位于以太網(wǎng)之外,分段連接的雙絞線對上同時提供數(shù)據(jù)和電源,這在需要提供電源時,不會加重以太網(wǎng)設備端口的負擔耘斩。于是,在不需要更換交換機和集線器的條件下,為老系統(tǒng)實現(xiàn)PoE提供了一種方法淌影。

如上所述,目前的標準只能支持類線的4對中的兩對傳送電源。所以,對于終端應用,討論了可以采用數(shù)據(jù)線對,也可以采用空閑的線對,但在標準中規(guī)定,對于Mid Span的應用,PSE只能采用五類線的空閑線對圈喻。如圖所示,右側的以太網(wǎng)設備利用空閑線對從PSE上提取電源脾韧。

如何使用PSE和PD

檢測PoE設備并為其供電,指的是PSE電源需要在PoE設備和非PoE設備之間進行識別或區(qū)分,以避免為非PoE設備、不需要或者不想被供電的設備供電爸见。很顯然,這是出于安全的考慮,故不要為PoE不兼容的設備供電聂突。

為了確保PoE系統(tǒng)的安全和可靠工作,IEEE802.af標準要求利用測試電壓來確認是否為以太網(wǎng)設備供電。該測試電壓被用來確定PD的負載特性应攘。PD的負載特性被稱為PD檢測簽名(signature)言刨。PSE讀取PD檢測簽名來確定是否供電并供多高的電壓。如果檢測后PSE確認這是一臺以太網(wǎng)設備,將會說:“嗨,你是以太網(wǎng)設備,我將為你供電“轧翘。如果在設備端或客戶端看不到簽名信號,當然就不會通過網(wǎng)絡為設備供電焦伸。

PSE的重要功能是識別能夠接受功率的PD,提供所需的電源電壓,并在PD脫網(wǎng)時關掉電源。

該檢測機制是PSE的一個極為重要的功能,以便能為范圍很廣的能夠插入8位模塊插座的各類設備供電曙辑。

簽名檢測

上面討論了簽名檢測,但什么是有效的簽名服筋？有效檢測實質上就是以太網(wǎng)設備上的電阻阻抗檢測跌褂。檢測阻抗僅需要一個電阻,其電阻值為23.75～26.25k?。所用的該電阻被稱為R_sig,連接到設備的R_sig端上午磁。該電阻吸納與有效阻抗所要求值相接近的電流,以便使損耗降到最小尝抖。從圖中可以看到,該電阻的容差要求很嚴,阻值為23.75～26.25k?。另外還需要考慮二極管的串聯(lián)電阻漓踢。

為了理解標準的電源接口,連接到以太網(wǎng)板上的以太網(wǎng)設備要通過一系列的標準兼容性檢查,否則將不會為其供電牵署。為了使PSE為以太網(wǎng)設備供電,如圖中左側所示,主要需要理解PSE和以太網(wǎng)設備的握手協(xié)議及工作原理。

開始時,電源端提供的電壓為2～10V喧半。該電壓饋入以太網(wǎng)設備,且該電壓范圍足以從額定阻值為25k?的電阻上檢測有效的簽名奴迅。該電壓檢測到簽名后,就將電壓增加到15～20V。其目的是測量所需的電壓值級別挺据。關于這一點將在后面討論取具。

成功檢測到簽名后,然后進行分級,然后再把電壓增加到正常工作所需的數(shù)值。由于應用是通信,故為48V,該電壓的正常范圍為37～57V扁耐。右邊給出的是在提供電壓之前PSE所需的不同核準等級暇检。

分級

什么是PD等級？IEEE標準給出了PSE對PD進行的最佳分級婉称。目的是為PSE的電源分配提供更有效的方法块仆。

PD的分級依次為0級,1級,2級,和3級；0級的缺省值為0.44到略低于13W甩幔；1級為0.44～3.84W,2級和3級分別為3.84～6.49W和6.49～13W∪幕現(xiàn)在看一下分級電路。該分級電路是PD能夠確定分類或所需的電壓等級的一個手段栽乘。這就是需要PSE提供電源的交換機上有許多端口的原因芽贫。

這是如何實現(xiàn)的呢？在左側有一個電路,能夠在分級階段產(chǎn)生一個恒定電流挚粱。例如MCZ34670產(chǎn)生一個恒定電壓,該電壓被送到外面接有分級電阻R的RCLA的輸出端上吴爵。人們可以根據(jù)帶有分級電組的PD等級來設定電流。Pd分級規(guī)定見表中的右側部分惊柱。下面有一個簡單的計算公式,即R=V/I,例如,1級為10.5mA,所需的電阻值為475?错猬。

MCZ34670 Pd設備

現(xiàn)在回來討論飛思卡爾公司最新的MCZ34670 PD器件。該款為飛思卡爾公司最新的電源管理IC,是一款為PoE應用提供高性能電源分配的器件樱凄。

MCZ34670可以用于無線接入點标炭、網(wǎng)絡攝像機和IP電話這類的應用。MCZ34670采用真正的全集成方案,內(nèi)含與IEEE標準兼容的電源器件,還有一個PWA調制控制器,該調制控制器提供實現(xiàn)PoE所需的極高性能的電流模式開關調節(jié)器巾甲。我們將討論該器件的內(nèi)部細節(jié)和優(yōu)點,以及在各種不同應用中的使用方法涕克。

圖9是用在PD側的MCZ34670的系統(tǒng)功能方框圖,并用粉紅色方框加亮蛀醉。

圖9:MCZ34670的系統(tǒng)功能架構悬襟。

MCZ34670提供上述所有的PoE接口衅码。還提供欠壓閉鎖、過壓保護脊岳、以及沖擊電流限制逝段。另外,還提供用于在危險條件下切斷電源的隔離開關。為了實現(xiàn)電源變換,板上的PWM控制器提供了一個效率很高的DC-DC變換割捅。

但是,MCZ34670的PD接口完全符合IEEE的802.3af標準的要求,它還能夠與并不滿足IEEE 802.3af中沖擊電流相關要求的傳統(tǒng)PoE-PSE接口奶躯。

欠壓閉鎖是需要的,因為LAN網(wǎng)絡電纜通常長達幾百英尺,當提取的功率為最大值時,在上面將會引起從幾伏到210伏的電壓降。DC-DC變換必須確保PD的電壓足夠高,至少是42V,這才能夠保證在電纜提取電流時電源電壓不會降到低于34V的最低工作電壓亿驾。這就避免了PD中的DC-DC變換器啟動后又關斷,或者在剛加電時反復開關嘹黔。

MC34670的功能和特點

該器件包括兩部分,PD接口和符合PoE的接口。內(nèi)含簽名檢測和分級功能,一個用于隔離電源的集成隔離開關,可編程(因為舊系統(tǒng)的存在)的沖擊電流限制,可調節(jié)的欠壓閉鎖電路,該電路可以工作高達80V,遠高于PoE中所要求的57V莫瞬。

內(nèi)含的PWM控制器,不需要輔助線圈,采用能夠提供快速響應和良好穩(wěn)定性的電流模式,振蕩頻率可調節(jié),還提供用來改善電源系統(tǒng)噪聲穩(wěn)定度的前沿消隱技術,還有斜率補償電路以及過壓保護電路儡蔓。

圖10給出了一個MC34670的典型應用。原理圖中給出了一個隔離反激式轉換器(isolated fly back)變換器的應用,它為外部開關M1的門級驅動提供了電源電壓疼邀。

圖10:MCZ34670的典型應用原理圖喂江。

MCZ34670支持各種配置和設置。圖中用紅色虛線標出了原理圖中的各個部分,并用標注出了它們各自的功能沛野。位于圖中左側的是二極管橋,然后是執(zhí)行分級設置和欠壓閉鎖設置的兩個電阻莱腾。圖的右側是一個變壓器(反激式),還有一個用于隔離的光耦合器。

需要說明的一個問題是,圖中采用的是加電配置,器件開關切換到高電流檔,假定在另一端存在PSE的話,這就使得PD能夠吸取12.95W的功率含话。

圖11:MCZ34670隔離前向拓撲結構示意圖途陵。

反激式變換器的優(yōu)點是能夠使設計比較靈活和更加魯棒。該技術對多路輸出電源頗具吸引力,因為線路和負載調節(jié)都比其競爭技術——正向拓撲技術要好得多认平。反激式變換器還被廣泛用于輸出功率從150W低至5W的應用場合,并且不需要正向變換器必須采用的次級輸出導線(output conductor),從而降低了成本抒崖。

現(xiàn)在看一下隔離正向拓撲應用。它與反激式技術的不同點就在于它在變壓器線圈的次級多用了一只二極管和一個電感器弃净。這意味著成本將有所增加,不過效率要高一些婉烈。所有其他的元器件,包括分級、簽名绩罩、電流限制和電壓閉鎖電路的元器件都完全一樣巩蕊。

值得指出的是增加了一個輔助線圈。它被用來為門驅動供電,正向驅動總共需要四個線圈咽娃。

圖12:MCZ34670在不同階段沒有偏置繞組的變壓器效率塑验。

圖12繪出了不同階段沒有偏置繞組的變壓器的效率。該效率與便攜式系統(tǒng)中的效率相比略微低一點,略低于90%,不過根據(jù)標準要求來看,該效率已是非常不錯的指標,并且非常具有競爭性彤敛。人們也許強調在便攜式設備中,效率都高達95%左右,但必須注意的是,取得95%效率的前提是必須采用功率節(jié)省技術,比如極點跳躍技術(pole skipping)等与帆。但對于通信這類的應用,如果效率高于80%就已經(jīng)是不錯的指標了。飛思卡爾公司利用偏置繞組對該器件進行了實測,其效率已接近90%墨榄。

作者:Norman Chan

標準產(chǎn)品集團市場經(jīng)理

飛思卡爾公司

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