用于以太网供电设备的单芯片PoE控制器解决方案

什么是以太网供电(POE)?它是一项使用LAN网络来同时传输电源和数据的技术。POE技术允许在现有的五类线、超五类线和六类线网络上安全可靠地传输功率高达15W的48V电源,特别适合于通信方面的应用。例如,它可以用来为13W(在被供电设备侧测量)范围内的IP电话、WLAN接入点、网络摄像机和其他各类网络终端供电。以太网供电也被称为局域网供电,基于IEEE802.3af标准。

PoE的主要优点

以太网供电设备持续大量涌现,是因为在现有的标准五类线网络上的使用方便性所致。因此,不需要改进和破坏现有的以太网基础网络。

PoE有很多的优点,例如只需往设备上拉一套线,这就简化了安装并节省空间。它利用支持网络的不间断电源(UPS),使得在停电期间业务也不中断,另外还简化了安装。

无需为电工付出高昂的安装费,或者因为电工的工作日程而导致安装的延迟,从而既省了时间又省了钱。进一步说,设备可以方便地移到能够布设LAN网络的任何地方。因为在工作范围内的任何地方都没有干线电源电压,从而还保证了安全性。采用UPS还能在主干电网故障时持续为用户供电。

用户可以使用SNMP(简单网络管理协议)网络基础设施来监控和控制设备,以及进出设备的数据传输。因此,可以用中心管理的方式对设备进行远程管理、关机或重启。

何为IEEE802.3af标准

先进的以太网与传统的电话网络在很多方面是相同的。通常都是在非屏蔽的双绞线上传输数据和语音,通常采用星形网络。

然而两者的差别在于,传统的电话机由传送数据或语音的同一根线来供电,以太网设备却不是,而是需要一个本地电源。

特别制订的IEEE802.3af标准,将这一点全部改变,因为它允许中央电源通过RJ-45连接器来提供48V DC,功率可高达13W。802.3af通过以太网络解决了为设备供电方面的所有问题。

图1:支持PoE功能的终端设备直接挂接到交换机上。

图2:支持PoE功能的终端设备挂接到中间跨接设备上。

图3:单端口PSE和PD的方框图。

图4:分别利用电缆中的数据线和空余线来传输电源。

图5:利用中间跨接方式将电源插入到网络中。

图6:实现认证签名的电阻值的有效区域。

图7:以太网设备的签名检测和分级电压。

图8:以太网设备的分级电路和级别。

简单地说,该标准定义了两个可选的电源实体的功能特性和电气特性。一个是以太网设备(PD),而另一个则是电源设备(PSE)。被用于标准定义的物理层上。该标准规定的是这两个设备或实体,如何利用与数据传输所用相同的普通电缆来提供电源或吸纳电源。

DTE供电的目的是为10BASE-T,100BASE-TX,或1000BASE-T设备提供一个单接口,同时提供所需的数据和数据处理所需的电源。

早期的POE实现将不会与802.3af发生冲突,而且所能实现的功率等级并期望能够解决未来的应用。目前我们已经开始讨论30W功率传输的方案。

IEEE802.3af规范

为了满足IEEE802.3af标准,电源设备输出电压应该位于44V到57V之间,在正常情况下最大输出电流为350mA。输出连续功率大约为15.4W。

对于以太网设备端,即客户端,设备的输入电压要求位于37到57V之间。

平均输入功率为12.95W,输入峰值电流为400mA。

•PSE输出电压:44～57V

•PSE正常模式最大输出电流:350mA

•PSE连续输出功率:15.4W

•PD输入电压:37～57V

•PD输入平均功率:12.95W

•PD输入峰值电流:400mA

PoE架构的类型

定义了两种典型的实现方案。一个是如下图所示的端点设备(End Point),可用于POE交换机。应注意这种端点应用设备挂在交换机上,而电源来自交换机。

另一个应用或实现方案被称为“中间跨接(Mid Span)”,具体描述如下。设计师或用户可以在交换机和端点设备之间的某个位置插入电源,即Mid Span设备有一个端口,在这里将电源插入到网络中,从而使得挂到该Mid Span上的被供电设备能够获取电源。

POE系统和架构

为了解释POE系统的工作原理,请看一个简单的单端口POE系统的方框图。它包括一个电源设备(PSE),这是一个集线器,或者位于左手边所示的交换机,而右边则是一个位于终端应用侧的以太网设备(PD,被供电设备)。PD将提供像IP电话和网络摄像这类的典型应用。从方框图的左侧,PSE将通过五类电缆中的数据线或多余的线来提供电源,然后送到以太网的设备端(PD)。在馈入电源器件——如飞思卡尔公司的MCZ34670之前,设计师将通过一个中心抽头变压器来提取该电源(如果用的是数据线的话)。

端点PSE应用

让我们看一下终点PSE应用的电源分配。

基本上,终点PSE应用有两个选项；即上面所示的A或B。A架构采用局域网五类线的数据线对来传输电源。事实上电源叠在数据线对上。在802.3af中,供电是利用链路两端的发射和接收变压器的次级线圈中心抽头来实现的。

在B方案中,如下面图所示,它用的是空余线,工程师可以很简单地在这些空余线上传输电源。

总的来说,有两种方法来插入和提取电源。一种是利用数据线,即将电源叠在数据的上面。另一种是利用空余的线来直接传输电源。

Mid Span PSE应用

Mid Span配置非常有用,该架构允许电源位于以太网之外,分段连接的双绞线对上同时提供数据和电源,这在需要提供电源时,不会加重以太网设备端口的负担。于是,在不需要更换交换机和集线器的条件下,为老系统实现PoE提供了一种方法。

如上所述,目前的标准只能支持类线的4对中的两对传送电源。所以,对于终端应用,讨论了可以采用数据线对,也可以采用空闲的线对,但在标准中规定,对于Mid Span的应用,PSE只能采用五类线的空闲线对。如图所示,右侧的以太网设备利用空闲线对从PSE上提取电源。

如何使用PSE和PD

检测PoE设备并为其供电,指的是PSE电源需要在PoE设备和非PoE设备之间进行识别或区分,以避免为非PoE设备、不需要或者不想被供电的设备供电。很显然,这是出于安全的考虑,故不要为PoE不兼容的设备供电。

为了确保PoE系统的安全和可靠工作,IEEE802.af标准要求利用测试电压来确认是否为以太网设备供电。该测试电压被用来确定PD的负载特性。PD的负载特性被称为PD检测签名(signature)。PSE读取PD检测签名来确定是否供电并供多高的电压。如果检测后PSE确认这是一台以太网设备,将会说:“嗨,你是以太网设备,我将为你供电“。如果在设备端或客户端看不到签名信号,当然就不会通过网络为设备供电。

PSE的重要功能是识别能够接受功率的PD,提供所需的电源电压,并在PD脱网时关掉电源。

该检测机制是PSE的一个极为重要的功能,以便能为范围很广的能够插入8位模块插座的各类设备供电。

签名检测

上面讨论了签名检测,但什么是有效的签名？有效检测实质上就是以太网设备上的电阻阻抗检测。检测阻抗仅需要一个电阻,其电阻值为23.75～26.25kΩ。所用的该电阻被称为R_sig,连接到设备的R_sig端上。该电阻吸纳与有效阻抗所要求值相接近的电流,以便使损耗降到最小。从图中可以看到,该电阻的容差要求很严,阻值为23.75～26.25kΩ。另外还需要考虑二极管的串联电阻。

为了理解标准的电源接口,连接到以太网板上的以太网设备要通过一系列的标准兼容性检查,否则将不会为其供电。为了使PSE为以太网设备供电,如图中左侧所示,主要需要理解PSE和以太网设备的握手协议及工作原理。

开始时,电源端提供的电压为2～10V。该电压馈入以太网设备,且该电压范围足以从额定阻值为25kΩ的电阻上检测有效的签名。该电压检测到签名后,就将电压增加到15～20V。其目的是测量所需的电压值级别。关于这一点将在后面讨论。

成功检测到签名后,然后进行分级,然后再把电压增加到正常工作所需的数值。由于应用是通信,故为48V,该电压的正常范围为37～57V。右边给出的是在提供电压之前PSE所需的不同核准等级。

分级

什么是PD等级？IEEE标准给出了PSE对PD进行的最佳分级。目的是为PSE的电源分配提供更有效的方法。

PD的分级依次为0级,1级,2级,和3级；0级的缺省值为0.44到略低于13W；1级为0.44～3.84W,2级和3级分别为3.84～6.49W和6.49～13W。现在看一下分级电路。该分级电路是PD能够确定分类或所需的电压等级的一个手段。这就是需要PSE提供电源的交换机上有许多端口的原因。

这是如何实现的呢？在左侧有一个电路,能够在分级阶段产生一个恒定电流。例如MCZ34670产生一个恒定电压,该电压被送到外面接有分级电阻R的RCLA的输出端上。人们可以根据带有分级电组的PD等级来设定电流。Pd分级规定见表中的右侧部分。下面有一个简单的计算公式,即R=V/I,例如,1级为10.5mA,所需的电阻值为475Ω。

MCZ34670 Pd设备

现在回来讨论飞思卡尔公司最新的MCZ34670 PD器件。该款为飞思卡尔公司最新的电源管理IC,是一款为PoE应用提供高性能电源分配的器件。

MCZ34670可以用于无线接入点、网络摄像机和IP电话这类的应用。MCZ34670采用真正的全集成方案,内含与IEEE标准兼容的电源器件,还有一个PWA调制控制器,该调制控制器提供实现PoE所需的极高性能的电流模式开关调节器。我们将讨论该器件的内部细节和优点,以及在各种不同应用中的使用方法。

图9是用在PD侧的MCZ34670的系统功能方框图,并用粉红色方框加亮。

图9:MCZ34670的系统功能架构。

MCZ34670提供上述所有的PoE接口。还提供欠压闭锁、过压保护、以及冲击电流限制。另外,还提供用于在危险条件下切断电源的隔离开关。为了实现电源变换,板上的PWM控制器提供了一个效率很高的DC-DC变换。

但是,MCZ34670的PD接口完全符合IEEE的802.3af标准的要求,它还能够与并不满足IEEE 802.3af中冲击电流相关要求的传统PoE-PSE接口。

欠压闭锁是需要的,因为LAN网络电缆通常长达几百英尺,当提取的功率为最大值时,在上面将会引起从几伏到210伏的电压降。DC-DC变换必须确保PD的电压足够高,至少是42V,这才能够保证在电缆提取电流时电源电压不会降到低于34V的最低工作电压。这就避免了PD中的DC-DC变换器启动后又关断,或者在刚加电时反复开关。

MC34670的功能和特点

该器件包括两部分,PD接口和符合PoE的接口。内含签名检测和分级功能,一个用于隔离电源的集成隔离开关,可编程(因为旧系统的存在)的冲击电流限制,可调节的欠压闭锁电路,该电路可以工作高达80V,远高于PoE中所要求的57V。

内含的PWM控制器,不需要辅助线圈,采用能够提供快速响应和良好稳定性的电流模式,振荡频率可调节,还提供用来改善电源系统噪声稳定度的前沿消隐技术,还有斜率补偿电路以及过压保护电路。

图10给出了一个MC34670的典型应用。原理图中给出了一个隔离反激式转换器(isolated fly back)变换器的应用,它为外部开关M1的门级驱动提供了电源电压。

图10:MCZ34670的典型应用原理图。

MCZ34670支持各种配置和设置。图中用红色虚线标出了原理图中的各个部分,并用标注出了它们各自的功能。位于图中左侧的是二极管桥,然后是执行分级设置和欠压闭锁设置的两个电阻。图的右侧是一个变压器(反激式),还有一个用于隔离的光耦合器。

需要说明的一个问题是,图中采用的是加电配置,器件开关切换到高电流档,假定在另一端存在PSE的话,这就使得PD能够吸取12.95W的功率。

图11:MCZ34670隔离前向拓扑结构示意图。

反激式变换器的优点是能够使设计比较灵活和更加鲁棒。该技术对多路输出电源颇具吸引力,因为线路和负载调节都比其竞争技术——正向拓扑技术要好得多。反激式变换器还被广泛用于输出功率从150W低至5W的应用场合,并且不需要正向变换器必须采用的次级输出导线(output conductor),从而降低了成本。

现在看一下隔离正向拓扑应用。它与反激式技术的不同点就在于它在变压器线圈的次级多用了一只二极管和一个电感器。这意味着成本将有所增加,不过效率要高一些。所有其他的元器件,包括分级、签名、电流限制和电压闭锁电路的元器件都完全一样。

值得指出的是增加了一个辅助线圈。它被用来为门驱动供电,正向驱动总共需要四个线圈。

图12:MCZ34670在不同阶段没有偏置绕组的变压器效率。

图12绘出了不同阶段没有偏置绕组的变压器的效率。该效率与便携式系统中的效率相比略微低一点,略低于90%,不过根据标准要求来看,该效率已是非常不错的指标,并且非常具有竞争性。人们也许强调在便携式设备中,效率都高达95%左右,但必须注意的是,取得95%效率的前提是必须采用功率节省技术,比如极点跳跃技术(pole skipping)等。但对于通信这类的应用,如果效率高于80%就已经是不错的指标了。飞思卡尔公司利用偏置绕组对该器件进行了实测,其效率已接近90%。

作者:Norman Chan

标准产品集团市场经理

飞思卡尔公司

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