IEEE 802.3af以太网供电系统分析

IEEE 802.3af标准是通过以太网数据线对或备用线对来实现以太网设备供电,从而摆脱了采用交流适配器所带来的麻烦,并将进一步拓展以太网技术的应用领域。本文详细分析了以太网供电设备和受电设备的工作过程以及实现方法。

采用基于以太网供电的IEEE 802.3af标准,如IP电话、无线接入点等功率小于12.95W的设备都可通过一根传输以太网数据的CAT-5电缆来提供电源。以太网供电不仅去除了讨厌的壁式变压器,还有助于推出一整套新的设备,这些设备结合了数据和电源接口,并可对现有的10、100或1000Mbps以太网设备后向兼容。802.3af突破了以太网的应用,它主要是一个电源传输协议,而不是数据协议。

以太网供电开始于能提供电源的供电设备(PSE),该设备通过测量其共模终端来检测需要供电的设备。一个有效的受电设备(PD)必须具有一个25kΩ共模电阻的“检测特征”。PSE用一个称为分级的第二次测量来判断PD的峰值功率要求,掌握了这一信息后PSE就能对那些需要供电的设备提供电源,而不会损坏不需要供电的设备,并能有效地分配可用功率。一旦PD在接收电源(一般为48V直流)时,消耗的功率能高达12.95W。如果PD一直未接入或处于关断状态,PSE就停止输送电源,并不断检测有效PD的25kΩ电阻特征电阻。以太网供电连接完全由PSE来进行控制,共模或端口电压(V_PORT)向PD传递如表1所示的链路状态相关信息。

受电设备

802.3af标准的PD要求开始于一个25kΩ和小于120nF的特征识别,正是这一特征使PSE将PD从不需要供电的其它以太网设备中区分出来。PD只需要具有这些检测特征,而同时链路处于检测模式即可实现检测。分级特征表明PD的峰值功耗,要求在端口电压为14.5到20.5V之间时PD吸收一个特定的DC电流。PD的分级电流必须对应于表2中五个功耗分级中的一个。PD必须对极性不敏感,并且能在备用线对和数据线对上正常工作(提供检测和分级特征以及接受供电),这个自动极性电路通常用二极管桥堆来实现,如图1所示。以上这些是PD向PSE请求供电必须具备的。

在端口电压升到30V和40V之间前PD不会吸取电源,在较低电压条件下PD保持在欠压闭锁状态(UVLO),以避免对检测和分级产生干扰。在开始的时候,PD将5μF或更大的输入旁路电容连接到端口处。尽管旁路电容的切换会使端口电压降低到30V到42V导通阈值以下,但这一瞬态压降不会使其产生振荡。IEEE 802.3af标准允许PD有50ms的启动时间,在它满足表2中所在级别的电流极限以前,足以使180μF旁路电容充满。PD能使用浪涌电流极限来对较大的电容充电,同时满足电流限制要求。一般PD会保持电路的其余部分不工作直至旁路电容充电完成,这对于DC/DC变换器特别重要,因为它们会在较低输入电压时获得更多的电流,使得对旁路电容充电特别困难。

当旁路电容充电完成后,端口电压就升高进入供电模式,使电路的其余部分运行,并在它所在类的功耗极限内吸取电源。如果电流过高的时间超出50ms将会使电源关断。此外,PD必须吸收最低为10mA的电流,这样PSE就能知道它还保持连接。像恒温调节器这类功率敏感的应用可以通过脉冲调制使“保持功耗特征(MPS)”电流为10mA,并且脉冲间隔时间保持75ms到250ms之间以减少功耗。PD也必须有一个电阻小于26.25kΩ的MPS共模阻抗与一个大于50nF电容并联。通常,PD的旁路和负载会形成一个比26.25kΩ低得多的阻抗。

802.3af标准对受电设备来说相对简单,可以用少量分立器件来实现一个基本符合要求的PD接口,如凌特公司的LTC4257能提供检测特征和可编程分级特征、带迟滞的UVLO、端口电流极限,以及在傍路电容充电时使DC/DC转换器工作的电源良好指示引脚。LTC4257和几乎相同的LTC4257-1都是设计用来满足IEEE 802.3af标准的,LTC4257-1使用一个140mA的低电流极限来对PD的输入电容器充电,使它能兼容在802.3af标准以前开发的电源方案。

LTC4257和LTC4257-1电路端口可以承受高达100V的电压,使它们能在很恶劣的环境中正常工作,包括负载电缆的感性回扫、高电压电缆放电和EDS冲击影响等。此外,采用一对二极管组成的桥电路和瞬态抑制器(见图1),LTC4257、LTC4257-1以及类似的器件可以使PD能满足大多数应用要求,使网络设备制造商能集中精力于实现设备的差异化设计。

供电设备

以太网供电的主要设备是PSE,它负责检测、分级和控制电源,以符合网络中802.3af PD的电源要求。在检测时,PSE通过测量两个V-I点和从它们之间的斜率来计算电阻以判断端口的共模终端。只要两个电压的差大于1V且都在2.8V~10V的范围内,PSE就能执行强制电流或强制电压测量,这样就有空间提供给PD的串接二极管。对于以太网供电来说,检测很关键,因为它能保证48V直流电压仅加在有效的PD上,并永远不会损坏哪些不需要接受802.3af电源的设备。像以太网供电的其它部分一样,以太网线的共模抑制对检测而言并没有什么好处,PSE必须通过累积多个交流周期(单不可太多)来抑制50/60Hz信号,检测必须在500ms内完成。

在成功完成检测后,PSE对端口提供15.5V～20.5V的电压,并将PD置于分级模式。PSE在对PD进行分级(测量端口电流)前会给它10ms的时间使它稳定下来。为保持合理的功耗,必须在75ms内完成分级。

如果PSE能提供PD所在级别要求的功率, PSE将对PD提供电源。功率要求见表2中“最小PSE功率”一列。如果PSE能向每一个端口提供16W的功率,则可以选择完全跳过分级。通过分级能更有效地利用电源,降低提供电源的成本,因此大多数PSE都要采用分级。无论是否对PD进行分级,PSE在对PD提供电源前必须在400ms内完成有效检测,否则如果PSE等待时间太长将会损坏插在原本是PD位置上不需要供电的以太网设备。

在加电时,必须将电流主动地限制在I_LIM(400mA~450mA)内,被动地限制为350mA到400mA的I_CUT阈值内。端口电流可能永远不会超过I_LIM,如果大于I_CUT的时间超过T_OVLD(50ms到75ms),端口就会关断。在启动和供电模式下使用这些限制。虽然IEEE标准要求在启动时的最大电流为I_INRUSH,但实际上与I_LIM相等。这些限制对端口电源实现了严格的控制,以避免一些故障造成严重事故,并允许PSE用低价位的MOSFET来控制端口。因为PSE经常执行I_CUT和I_LIM电流限制,PD必须对它的旁路电容充电或在加电50ms后限制电流。PSE可以选用较严格的I_CUT阈值来控制分级1和分级2的PD。

当一个链路被供电后,PSE必须进行连续的监测以保证PD仍保持连接,以及电缆没处于等待状态,并准备给下一个以太网设备提供48V电压。802.3af标准规定了PSE用DC断接(DC disconnect)和AC断接(AC disconnect)两种方法来判断是否与一个PD保持连接。DC脱开决定于PD至少吸取10mA的电流,如果电流降到5mA到10mA之间的I_MIN阈值以下,且时间超过T_MPDO(300ms到400ms),PSE就切断电源。因为PD可以对端口产生10mA以上的脉冲电流,从而继续保持供电,所以PSE必须对小至60ms的脉冲做出响应。PSE通过测量端口阻抗来确定AC断接,一个高阻抗表示PD不再连接,端口就一定要在T_MPDO时间后关断。

端点和中跨

802.3af定义了两类PSE,一般PSE结合了802.3af电源供电功能与数据终端设备(DTE)功能,或目前以太网交换机和集线器的转发器功能。这些PSE存在于网络连接的终端,并称为端点(Endpoint)。这些端点一般通过数据线对输送电源(尽管标准允许使用备用线对),因为这些线对肯定连在PD上。

第二类PSE安装在数据交换机和PD之间的连线上,这类PSE称为中跨(Midspan),只向备用线对施加电源,而数据线对则直接通过。对于基于中跨的网络,PD从一个已有的非802.3af交换机接收数据而从中跨获得电源。

另外还可以串接一个端点和一个中跨,这样电源就可以在备用线对和数据线对。为防止不期望的相互影响,已加电的PD不能在另外的线对上出现25kΩ的阻抗特征,图1所示的二极管或电路就实现了该功能。此外,一个中跨在一次检测失败后,在开始下一次检测前必须等待至少两秒,这一延迟使端点在中跨再次检测前检测,并向PD提供电源。

目前,一些IC供应商正在生产能满足802.3af PSE要求的芯片,其中有一些方案采用微控制器的外围器件来提供以太网供电接口,但要依赖控制器软件来实现大部分工作。更强性能的器件能自主检测和分级有效PD,以及用最小的软件开销来管理过电流和断接。这些器件可能只需要系统软件来决定是否还有足够的功率余量来满足PD的功率要求。例如,LTC4258和LTC4259能控制四个符合802.3af标准的端口,而只需很少或不需要软件的干预。在自动模式中,LTC4258/9假定有15.4W功率可用于每一个端口,或者LTC4258/9在检测和对一个新的PD分级时会提醒控制器,让控制器决定是否向端口供电。LTC4258和LTC4259模拟电路在使用很少的外围器件的条件下,可以实现802.3af标准的检测和分级、I_LIM和I_CUT极限以及DC断接(见图1)。高性能的电路允许LTC4258/9检测端口电流,包括在0.5?电阻下5mA到10mA的DC断接阈值。LTC4259也包括了创新的AC断接电路,它测量PD阻抗,不会受长电缆和杂散电容的干扰。在大系统中,多达16个LTC4258或LTC4259能同时连接在相同的I²C或SMBus上,控制64个以太网端口。此外,可编程中断和按键寄存器使软件的复杂性最小化。

本文小结

2005年局域网的热点应用将是提供电源而不是速率,很多集成电路供应商已经在向市场推出以太网供电方案,并计划在2004年发布很多相关产品。网络设备制造商正在准备提供符合以太网供电的交换机、路由器和集线器,而市场上已有中跨供应以用来升级已有的设备。以太网供电意味着无线接入点将摆脱采用交流电源插座,并为一个完整的IP电话设备采用一个中央不间断电源(UPS),这也意味着以太网应用将进一步扩展,并引入到如电话、防盗报警、电视监控、工业传感器等专有或根深蒂固的老式技术及全新的应用中。

作者: Jacob Herbold

设计工程师

Linear Technology公司

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