IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線對或備用線對來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備供電,從而擺脫了采用交流適配器所帶來的麻煩,并將進(jìn)一步拓展以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。本文詳細(xì)分析了以太網(wǎng)供電設(shè)備和受電設(shè)備的工作過程以及實(shí)現(xiàn)方法。

采用基于以太網(wǎng)供電的IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn),如IP電話或腔、無線接入點(diǎn)等功率小于12.95W的設(shè)備都可通過一根傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的CAT-5電纜來提供電源。以太網(wǎng)供電不僅去除了討厭的壁式變壓器,還有助于推出一整套新的設(shè)備,這些設(shè)備結(jié)合了數(shù)據(jù)和電源接口,并可對現(xiàn)有的10擅揖、100或1000Mbps以太網(wǎng)設(shè)備后向兼容蔚便。802.3af突破了以太網(wǎng)的應(yīng)用,它主要是一個(gè)電源傳輸協(xié)議,而不是數(shù)據(jù)協(xié)議。

以太網(wǎng)供電開始于能提供電源的供電設(shè)備(PSE),該設(shè)備通過測量其共模終端來檢測需要供電的設(shè)備豌蟋。一個(gè)有效的受電設(shè)備(PD)必須具有一個(gè)25kΩ共模電阻的“檢測特征”廊散。PSE用一個(gè)稱為分級(jí)的第二次測量來判斷PD的峰值功率要求,掌握了這一信息后PSE就能對那些需要供電的設(shè)備提供電源,而不會(huì)損壞不需要供電的設(shè)備,并能有效地分配可用功率。一旦PD在接收電源(一般為48V直流)時(shí),消耗的功率能高達(dá)12.95W梧疲。如果PD一直未接入或處于關(guān)斷狀態(tài),PSE就停止輸送電源,并不斷檢測有效PD的25kΩ電阻特征電阻允睹。以太網(wǎng)供電連接完全由PSE來進(jìn)行控制,共模或端口電壓(V_PORT)向PD傳遞如表1所示的鏈路狀態(tài)相關(guān)信息幌氮。

受電設(shè)備

802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD要求開始于一個(gè)25kΩ和小于120nF的特征識(shí)別,正是這一特征使PSE將PD從不需要供電的其它以太網(wǎng)設(shè)備中區(qū)分出來缭受。PD只需要具有這些檢測特征,而同時(shí)鏈路處于檢測模式即可實(shí)現(xiàn)檢測。分級(jí)特征表明PD的峰值功耗,要求在端口電壓為14.5到20.5V之間時(shí)PD吸收一個(gè)特定的DC電流该互。PD的分級(jí)電流必須對應(yīng)于表2中五個(gè)功耗分級(jí)中的一個(gè)米者。PD必須對極性不敏感,并且能在備用線對和數(shù)據(jù)線對上正常工作(提供檢測和分級(jí)特征以及接受供電),這個(gè)自動(dòng)極性電路通常用二極管橋堆來實(shí)現(xiàn),如圖1所示。以上這些是PD向PSE請求供電必須具備的宇智。

在端口電壓升到30V和40V之間前PD不會(huì)吸取電源,在較低電壓條件下PD保持在欠壓閉鎖狀態(tài)(UVLO),以避免對檢測和分級(jí)產(chǎn)生干擾蔓搞。在開始的時(shí)候,PD將5μF或更大的輸入旁路電容連接到端口處。盡管旁路電容的切換會(huì)使端口電壓降低到30V到42V導(dǎo)通閾值以下,但這一瞬態(tài)壓降不會(huì)使其產(chǎn)生振蕩随橘。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)允許PD有50ms的啟動(dòng)時(shí)間,在它滿足表2中所在級(jí)別的電流極限以前,足以使180μF旁路電容充滿喂分。PD能使用浪涌電流極限來對較大的電容充電,同時(shí)滿足電流限制要求丰搞。一般PD會(huì)保持電路的其余部分不工作直至旁路電容充電完成,這對于DC/DC變換器特別重要,因?yàn)樗鼈儠?huì)在較低輸入電壓時(shí)獲得更多的電流,使得對旁路電容充電特別困難。

當(dāng)旁路電容充電完成后,端口電壓就升高進(jìn)入供電模式,使電路的其余部分運(yùn)行,并在它所在類的功耗極限內(nèi)吸取電源讼狗。如果電流過高的時(shí)間超出50ms將會(huì)使電源關(guān)斷。此外,PD必須吸收最低為10mA的電流,這樣PSE就能知道它還保持連接革辖。像恒溫調(diào)節(jié)器這類功率敏感的應(yīng)用可以通過脈沖調(diào)制使“保持功耗特征(MPS)”電流為10mA,并且脈沖間隔時(shí)間保持75ms到250ms之間以減少功耗硝闸。PD也必須有一個(gè)電阻小于26.25kΩ的MPS共模阻抗與一個(gè)大于50nF電容并聯(lián)。通常,PD的旁路和負(fù)載會(huì)形成一個(gè)比26.25kΩ低得多的阻抗查袄。

802.3af標(biāo)準(zhǔn)對受電設(shè)備來說相對簡單,可以用少量分立器件來實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本符合要求的PD接口,如凌特公司的LTC4257能提供檢測特征和可編程分級(jí)特征硼挡、帶遲滯的UVLO、端口電流極限,以及在傍路電容充電時(shí)使DC/DC轉(zhuǎn)換器工作的電源良好指示引腳仓泣。LTC4257和幾乎相同的LTC4257-1都是設(shè)計(jì)用來滿足IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的,LTC4257-1使用一個(gè)140mA的低電流極限來對PD的輸入電容器充電,使它能兼容在802.3af標(biāo)準(zhǔn)以前開發(fā)的電源方案版绢。

LTC4257和LTC4257-1電路端口可以承受高達(dá)100V的電壓,使它們能在很惡劣的環(huán)境中正常工作,包括負(fù)載電纜的感性回掃、高電壓電纜放電和EDS沖擊影響等苏涧。此外,采用一對二極管組成的橋電路和瞬態(tài)抑制器(見圖1),LTC4257玄冬、LTC4257-1以及類似的器件可以使PD能滿足大多數(shù)應(yīng)用要求,使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商能集中精力于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的差異化設(shè)計(jì)。

供電設(shè)備

以太網(wǎng)供電的主要設(shè)備是PSE,它負(fù)責(zé)檢測训木、分級(jí)和控制電源,以符合網(wǎng)絡(luò)中802.3af PD的電源要求颜懊。在檢測時(shí),PSE通過測量兩個(gè)V-I點(diǎn)和從它們之間的斜率來計(jì)算電阻以判斷端口的共模終端。只要兩個(gè)電壓的差大于1V且都在2.8V~10V的范圍內(nèi),PSE就能執(zhí)行強(qiáng)制電流或強(qiáng)制電壓測量,這樣就有空間提供給PD的串接二極管风皿。對于以太網(wǎng)供電來說,檢測很關(guān)鍵,因?yàn)樗鼙ＷC48V直流電壓僅加在有效的PD上,并永遠(yuǎn)不會(huì)損壞哪些不需要接受802.3af電源的設(shè)備河爹。像以太網(wǎng)供電的其它部分一樣,以太網(wǎng)線的共模抑制對檢測而言并沒有什么好處,PSE必須通過累積多個(gè)交流周期(單不可太多)來抑制50/60Hz信號(hào),檢測必須在500ms內(nèi)完成。

在成功完成檢測后,PSE對端口提供15.5V～20.5V的電壓,并將PD置于分級(jí)模式桐款。PSE在對PD進(jìn)行分級(jí)(測量端口電流)前會(huì)給它10ms的時(shí)間使它穩(wěn)定下來咸这。為保持合理的功耗,必須在75ms內(nèi)完成分級(jí)。

如果PSE能提供PD所在級(jí)別要求的功率, PSE將對PD提供電源魔眨。功率要求見表2中“最小PSE功率”一列媳维。如果PSE能向每一個(gè)端口提供16W的功率,則可以選擇完全跳過分級(jí)。通過分級(jí)能更有效地利用電源,降低提供電源的成本,因此大多數(shù)PSE都要采用分級(jí)冰沙。無論是否對PD進(jìn)行分級(jí),PSE在對PD提供電源前必須在400ms內(nèi)完成有效檢測,否則如果PSE等待時(shí)間太長將會(huì)損壞插在原本是PD位置上不需要供電的以太網(wǎng)設(shè)備侨艾。

在加電時(shí),必須將電流主動(dòng)地限制在I_LIM(400mA~450mA)內(nèi),被動(dòng)地限制為350mA到400mA的I_CUT閾值內(nèi)。端口電流可能永遠(yuǎn)不會(huì)超過I_LIM,如果大于I_CUT的時(shí)間超過T_OVLD(50ms到75ms),端口就會(huì)關(guān)斷拓挥。在啟動(dòng)和供電模式下使用這些限制唠梨。雖然IEEE標(biāo)準(zhǔn)要求在啟動(dòng)時(shí)的最大電流為I_INRUSH,但實(shí)際上與I_LIM相等。這些限制對端口電源實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的控制,以避免一些故障造成嚴(yán)重事故,并允許PSE用低價(jià)位的MOSFET來控制端口侥啤。因?yàn)镻SE經(jīng)常執(zhí)行I_CUT和I_LIM電流限制,PD必須對它的旁路電容充電或在加電50ms后限制電流当叭。PSE可以選用較嚴(yán)格的I_CUT閾值來控制分級(jí)1和分級(jí)2的PD。

當(dāng)一個(gè)鏈路被供電后,PSE必須進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測以保證PD仍保持連接,以及電纜沒處于等待狀態(tài),并準(zhǔn)備給下一個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備提供48V電壓弦蜀。802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了PSE用DC斷接(DC disconnect)和AC斷接(AC disconnect)兩種方法來判斷是否與一個(gè)PD保持連接室午。DC脫開決定于PD至少吸取10mA的電流,如果電流降到5mA到10mA之間的I_MIN閾值以下,且時(shí)間超過T_MPDO(300ms到400ms),PSE就切斷電源班域。因?yàn)镻D可以對端口產(chǎn)生10mA以上的脈沖電流,從而繼續(xù)保持供電,所以PSE必須對小至60ms的脈沖做出響應(yīng)。PSE通過測量端口阻抗來確定AC斷接,一個(gè)高阻抗表示PD不再連接,端口就一定要在T_MPDO時(shí)間后關(guān)斷孔菱。

端點(diǎn)和中跨

802.3af定義了兩類PSE,一般PSE結(jié)合了802.3af電源供電功能與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)功能,或目前以太網(wǎng)交換機(jī)和集線器的轉(zhuǎn)發(fā)器功能巨啤。這些PSE存在于網(wǎng)絡(luò)連接的終端,并稱為端點(diǎn)(Endpoint)。這些端點(diǎn)一般通過數(shù)據(jù)線對輸送電源(盡管標(biāo)準(zhǔn)允許使用備用線對),因?yàn)檫@些線對肯定連在PD上撕星。

第二類PSE安裝在數(shù)據(jù)交換機(jī)和PD之間的連線上,這類PSE稱為中跨(Midspan),只向備用線對施加電源,而數(shù)據(jù)線對則直接通過抖躺。對于基于中跨的網(wǎng)絡(luò),PD從一個(gè)已有的非802.3af交換機(jī)接收數(shù)據(jù)而從中跨獲得電源。

另外還可以串接一個(gè)端點(diǎn)和一個(gè)中跨,這樣電源就可以在備用線對和數(shù)據(jù)線對唧窄。為防止不期望的相互影響,已加電的PD不能在另外的線對上出現(xiàn)25kΩ的阻抗特征,圖1所示的二極管或電路就實(shí)現(xiàn)了該功能勇斜。此外,一個(gè)中跨在一次檢測失敗后,在開始下一次檢測前必須等待至少兩秒,這一延遲使端點(diǎn)在中跨再次檢測前檢測,并向PD提供電源。

目前,一些IC供應(yīng)商正在生產(chǎn)能滿足802.3af PSE要求的芯片,其中有一些方案采用微控制器的外圍器件來提供以太網(wǎng)供電接口,但要依賴控制器軟件來實(shí)現(xiàn)大部分工作究惨。更強(qiáng)性能的器件能自主檢測和分級(jí)有效PD,以及用最小的軟件開銷來管理過電流和斷接树家。這些器件可能只需要系統(tǒng)軟件來決定是否還有足夠的功率余量來滿足PD的功率要求。例如,LTC4258和LTC4259能控制四個(gè)符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的端口,而只需很少或不需要軟件的干預(yù)治拿。在自動(dòng)模式中,LTC4258/9假定有15.4W功率可用于每一個(gè)端口,或者LTC4258/9在檢測和對一個(gè)新的PD分級(jí)時(shí)會(huì)提醒控制器,讓控制器決定是否向端口供電摩泪。LTC4258和LTC4259模擬電路在使用很少的外圍器件的條件下,可以實(shí)現(xiàn)802.3af標(biāo)準(zhǔn)的檢測和分級(jí)、I_LIM和I_CUT極限以及DC斷接(見圖1)劫谅。高性能的電路允許LTC4258/9檢測端口電流,包括在0.5?電阻下5mA到10mA的DC斷接閾值加勤。LTC4259也包括了創(chuàng)新的AC斷接電路,它測量PD阻抗,不會(huì)受長電纜和雜散電容的干擾。在大系統(tǒng)中,多達(dá)16個(gè)LTC4258或LTC4259能同時(shí)連接在相同的I²C或SMBus上,控制64個(gè)以太網(wǎng)端口同波。此外,可編程中斷和按鍵寄存器使軟件的復(fù)雜性最小化鳄梅。

本文小結(jié)

2005年局域網(wǎng)的熱點(diǎn)應(yīng)用將是提供電源而不是速率,很多集成電路供應(yīng)商已經(jīng)在向市場推出以太網(wǎng)供電方案,并計(jì)劃在2004年發(fā)布很多相關(guān)產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商正在準(zhǔn)備提供符合以太網(wǎng)供電的交換機(jī)未檩、路由器和集線器,而市場上已有中跨供應(yīng)以用來升級(jí)已有的設(shè)備戴尸。以太網(wǎng)供電意味著無線接入點(diǎn)將擺脫采用交流電源插座,并為一個(gè)完整的IP電話設(shè)備采用一個(gè)中央不間斷電源(UPS),這也意味著以太網(wǎng)應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)展,并引入到如電話、防盜報(bào)警冤狡、電視監(jiān)控孙蒙、工業(yè)傳感器等專有或根深蒂固的老式技術(shù)及全新的應(yīng)用中。

作者: Jacob Herbold

設(shè)計(jì)工程師

Linear Technology公司

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