通过以太网数据传输线传送电源

一直以来以太网都是用于传送数据,以太网设备必须自带电池或与外部电源相连才能工作。但最新通过的IEEE 802.3af标准定义了一种新方法,允许以太网在数据传输线上同时传送直流电源。它的功率约为13W。这样小型数据设备就可直接用以太网连接来供电,而不再需要电池或与墙上交流电源插座连接。本文介绍以太网线缆电力传输工作原理及设计中的注意事项。

在以太网系统中,我们把提供电源的设备称为PSE(Power Sourcing Equipment),而使用电源的设备叫PD(Power Device)。PSE通常是以太网交换器、路由器、集线器或其它网络交换设备,PD则有多种形式,如数字IP电话、无线网络接入点、PDA或笔记本电脑接驳器、移动电话充电器及HVAC温度自动调节器等等。实际上,任何需要数据连接并能在13W或更低功率下工作的设备都可无需AC电源或电池供电,仅从RJ45插座就能够得到相应的电力。

通过以太网电缆传输电源

一条CAT-5以太网电缆在一个普通保护层内包含4对24号无屏蔽铜双绞线,电缆两端都有RJ45接头。在一般的10BASE-T或100BASE-TX(10/100)网络中,这四对线中的两对用来传输数据(称为信号线对),其中一对用于发送,另一对用于接收,另外两对没有用到(称为备用线对)。1000BASE-T(通过铜线进行千兆级速率传输)中4对线都用到了,它与提供电源的以太网在很多方面都兼容。

如图1所示,PSE要求信号线对或备用线对(但不是两者同时)提供额定48V直流电源,电源作为两个加电的线对间共模电压差,加到差分数据信号与线缆耦合的隔离变压器中间接头上,发送线对和接收线对之间的48V电位差不会对两端数据收发器产生影响。

用于为线路供电的48V电源要与PSE机箱接地隔离开来,以保持PSE与PD间的分隔。IEEE定义了两种隔离方法,称为环境A(Environment A)和环境B(Environment B)。环境A要求PSE机箱与48V供电隔离,但不要求与相邻的端口分隔；环境B要求较为苛刻,它要求端口与机箱隔离,同时相互之间也要隔离。为了符合电信方面的协定,48V DC电源通常又称作-48V电源。IEEE 802.3af标准规定环境A电源只能与负极(即-48V)接在一起,而在环境B中,由于电源与机箱及相邻端口隔离,所以没有要求要与哪一极连接。

PD的特性

IEEE 802.3af规定的PD需符合几个条件。首先PD应能通过信号线对或备用线对接收电源,通常由二极管对两个电源执行“或”运算来实现,图2显示了一个利用LTC4257构成的完整前端。这个电路还有一个优点,就是当电源通过另一线对传输时,它可以把未用线对的标志去除,这也是IEEE规格所要求的。此时必须用桥堆或其它方法实现自动极性判断,以便PD交叉或直接通过以太网电缆工作。

当用2.7V至10.1V之间的电压探查时,所有PD在电源输入端都要有25kΩ特征阻抗。考虑到基于二极管的功率控制及自动极性电路,该特征阻抗最多允许1.9V串联偏移。对于网络接口卡及没有电源的集线器等旧式以太网设备而言,一般共模阻抗大约为150Ω,这与有效PD阻抗相差很大。

当用15V至20V之间的电压探查时,终端会出现另一个可选特征信号。这个“分级”特征信号向PSE表明PD将使用的最大功率,这样PSE就可规划所提供的电源。该分级特征信号用流过PD输入端的恒定电流来标示,表1显示了分级情况及其恒流特性。

当PD向PSE表明自己的级别后,PSE会在线缆上加一个44V到57V的电压,这时PD要遵守几条规定。在端电压升到30V以前,它不应该消耗太大负载电流,这是为了避免与分级特征信号互相干扰；但是到电压达到42V时,它又必须处于完全工作状态,不能连续吸取350mA电流或12.95W功率(以较小值情况为准),有些情形下可允许400mA浪涌电流。它工作时需要相当于20Ω的输入串联电阻,因此在浪涌电流为400mA时可以减掉多达约8V的电压。这样在电压开关的时候就可以产生足够的滞后,避免首次加载而电压还很低时产生断续波动。PD的输入电容必须低于180μF,以便在电源接通时将浪涌电流保持在合理的水平；如果输入电容大于180μF,PD就要主动限制浪涌电流,使它低于350mA。最后,PD至少要保持10mA的电流且交流阻抗要维持在26.25kΩ或更少以避免掉线,这又称为功率维持特征信号。

PD的检测

在PSE向线路加电之前,要用一个功率比较小的探测源检查特征电阻。PD的电阻必须为25kΩ±5%且并联一个120nF或更小电容时才会当作是有效的特征信号。相应地,PSE要接受19kΩ至26.5kΩ较宽的电阻范围,以解释系统的寄生串联和并联电阻。PSE应拒绝任何小于15kΩ或大于33kΩ、或者端口电容大于10μF的设备。

PD特征阻抗允许高达1.9V的电压偏移(通常由两个串联二极管产生),以及高达10μA的电流偏移(通常由PD中的泄漏引起),这些因素使得PSE电阻测量比较复杂,因为单独V-I点测量不能克服这些误差,所以PSE至少要取两个不同的V-I点,在PD上的间隔至少为1V。然后计算两个点之间的差异,找到真正的电阻斜率,再减去电压和电流偏移值。

由于CAT-5电缆一般都铺在天花板、墙壁及其它有AC走线的地方,所以50/60Hz噪声会很大。PSE要能够在这种线路噪声环境下有效探测到25kΩ特征,通常通过集成几个检测点或使检测点与线路频率同步的方法来实现。全部探测过程必须在一秒内完成,因此探测的集成时间只有几百毫秒。

PD的分级

一旦PSE成功探测到PD,它就会问PD需要多少功率。如果PSE的功率足够大,能同时对所有端口提供全部电源,分级这一步就可以省去。但如果可用功率有限(通常都是这样),它就要不断跟踪有多少个PD连在它上面,功率分级是怎样的,并且在功率用完时不再接受新的PD。

分级特征通过在PD上加15V至20V之间的电压检测,在15V～20V分级特征段,PD要像一个恒流源一样(见表1),PSE将测量这个电流以决定PD属于哪一个级别。分级时PSE用的电压源电流要限制在100mA以内,以免损坏失效PD,连接时间也不能超过75ms,以便控制PD的功耗。图3显示了系统从探测模式转换成分级模式时PD电流的变化。

掉线检测

正如PSE不能向不需要功率的设备发送功率一样,PSE一定不能在用电设备已经断开后还使电源处于接通状态,因为供电电缆有可能会插在一个不需要用以太网供电的设备上。802.3af标准规定了两种方法让PSE检测PD是否断开,即DC断路法和AC断路法,实施者可根据系统的实际情况选择合适的方法。

1．DC断路法

DC断路法根据从PSE流向PD的直流电流大小,从而判断PD是否在线。在给定的时间t_DIS(300ms～400ms)内,电流始终小于阈值I_MIN(5mA～10mA之间)电流时,PSE就认为PD不存在,将把电源切断。这种方法唯一的麻烦就是PD将功耗降到低于I_MIN×V_PORT(V_PORT是供给PD的电压)时,为避免DC断路而需要周期性突发电流。低功耗下可以降低最小功率,防止如以太网供电的恒温器之类设备发热而给出不正确的读数。

2．AC断路法

执行AC断路法的PSE测量以太网端口的交流阻抗。如果没有东西接在PSE上,端口的阻抗会很高,可能达到几兆欧。而当接有PD时,端口的阻抗会小于26.25kΩ,如果PD消耗的功率大它还更小。端口阻抗(Z_PORT)通过加电压(V_AC)然后测量所产生的电流(I_AC),得到Z_PORT=V_AC/I_AC。图4中的LTC4259既可以实现AC断路法也可以实现DC断路法。

最复杂的问题源自于PSE输出特性,它提供电源给PD,但是作为电源,它的阻抗必然很低。串联二极管(图4中的S1B)可以使AC断接时克服PSE端口低阻抗问题,并在二极管没有被正向偏置时寻找PD。802.3af标准规定了负载调节、输出阻抗及纹波要求,这样PSE至少需要0.1μF的旁路电容；即使在100Hz时,图4中的0.1μF电容也会产生16k的端口阻抗。加上PD的最大阻抗26.25k,端口阻抗可降至10k。

本文小结

一旦PSE成功检测到PD并将其进行分级之后,它就可以决定是否要给它加电。如果PSE可用功率足够,它就接通电源到PD并开始检测端口的电源维持特征信号。开始供电后,探测电路就要关闭,因为PD的UVLO开关是关着的,并且PD电源电路的输入阻抗通常会淹没掉25kΩ特征阻抗。

现在我们可以得出PSE的完整描述:探测过程判定是否有PD连在端口上；分级程序决定它需要多少功率,从而相应地分配它的电源资源；电源维持特征信号表明PD是否仍然存在并且工作正常。反过来,PD也有它自己的方法与PSE沟通,告诉PSE自己是什么、需要多大的功率及是否需要电源保持供电。所有这一切都不会对数据流带来任何影响,因此可以允许有效的PSE和PD不包含数据通讯硬件,这对于有些应用来说可大大节省成本。最重要的是,检测协议可最大程度降低对以前以太网设备的损坏,从而保持了后向兼容性。

作者:Dave Dwelley

设计经理

凌特公司

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