以太網(wǎng)供電(PoE)為數(shù)據(jù)終端楞盼、無線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭或網(wǎng)絡(luò)電話之類連接到以太網(wǎng)端口的設(shè)備提供一種有效的電源解決方案。在以太網(wǎng)供電應(yīng)用中,電源管理器件在以太網(wǎng)交換機(jī)和PoE“中跨”集線器中以及用電設(shè)備的DC-DC電源中用來轉(zhuǎn)換電壓和電流榜贴。本文作者介紹了如何用電源管理器件在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、用電設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高性能供電妹田。

圖1:向后兼容以太網(wǎng)交換
機(jī)的"中跨"式集線器沈猜。

以太網(wǎng)指的是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的各種局域網(wǎng)系統(tǒng),這一術(shù)語還用來指用于如由高速數(shù)據(jù)線纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接的中央文件服務(wù)器和多臺(tái)PC機(jī)的協(xié)議。任何像數(shù)據(jù)終端拳镊、無線接入點(diǎn)奈炕、網(wǎng)絡(luò)攝像頭或網(wǎng)絡(luò)電話之類連接到以太網(wǎng)端口的設(shè)備都需要用電池或獨(dú)立的交流電源為其供電,如果在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)為連接到網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備提供電源將非常好,而如果這種供電方式能利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)電纜來傳送,這樣就將具備100%的向后兼容能力,那就再好不過了。這正是IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義的PoE標(biāo)準(zhǔn)所提供的,該標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于:

由于每一個(gè)設(shè)備僅需要一套線纜,簡(jiǎn)化了連接各個(gè)設(shè)備的布線,并降低了布線成本寓吼；

省去交流電源線以及交流適配器,使得工作環(huán)境更加安全书尚、整潔并且開銷更低；

可以很容易地將設(shè)備從一處搬移到另一處本洁；

當(dāng)交流主電源發(fā)生故障時(shí),可以用不間斷電源向設(shè)備繼續(xù)供電泻磅；

連接到以太網(wǎng)的設(shè)備可以被遠(yuǎn)程監(jiān)控。

正是這些優(yōu)點(diǎn)使得PoE成為一項(xiàng)從本質(zhì)上改變了低功耗設(shè)備供電方式的全新技術(shù)搔片。能通過PoE技術(shù)供電的設(shè)備不勝枚舉,可以在(暫不可見)網(wǎng)站上查看其具體的門類與品種煞松。但是,當(dāng)下推動(dòng)PoE總有效市場(chǎng)增長(zhǎng)(TAM, Total Available Market)的主力是兩類用電設(shè)備:WLAN接入點(diǎn)和VoIP電話。到2007年,前者的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將為38%,達(dá)到1,500萬臺(tái)(數(shù)據(jù)來源:iSuppli)脸缆。同時(shí)間,支持后者的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)預(yù)期將達(dá)到300萬單位芳争。而這些用電設(shè)備的需求反過來也推動(dòng)著現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機(jī)升級(jí),從而具備支持PoE的能力。這可以通過使用下圖中所示的“中跨”方案解決别粮。據(jù)預(yù)測(cè),這些設(shè)備的增長(zhǎng)到2007年可以達(dá)到800萬臺(tái),達(dá)到68%的增長(zhǎng)懈词。

在這些例子中,通過在網(wǎng)絡(luò)中加入將電源注入雙絞線LAN電纜的“中跨”(midspan)PoE集線器使原先的以太網(wǎng)交換機(jī)具備PoE功能蛇耀。新的以太網(wǎng)交換機(jī)將會(huì)包括這里提到的“中跨”集線器的功能,向通過高速數(shù)據(jù)電纜與其連接著的用電設(shè)備(PD)供電。這些用電設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)攝像頭坎弯、VoIP電話纺涤、WLAN接入點(diǎn)以及其它電器。如果主電源發(fā)生故障,UPS將提供備用電源抠忘。

電源管理器件在以太網(wǎng)交換機(jī)中的應(yīng)用

最新的以太網(wǎng)交換機(jī)能夠通過其24或48個(gè)獨(dú)立的端口向用電設(shè)備提供PoE連接,并且還具有與非PoE系統(tǒng)“向后兼容”的能力撩炊。每臺(tái)用電設(shè)備都使用其自身的48V輸入電源供電,每臺(tái)設(shè)備最大允許功耗為15.4W,以太網(wǎng)交換機(jī)可以對(duì)每臺(tái)設(shè)備的供電功率單獨(dú)進(jìn)行管理。

IEEE802.3af PoE標(biāo)準(zhǔn)最多允許在每臺(tái)用電設(shè)備消耗大約13W的功率,而以太網(wǎng)交換機(jī)提供的最大15.4W的功率是為了彌補(bǔ)長(zhǎng)電纜帶來的一定程度損耗崎脉。在用電設(shè)備端,48V電源的實(shí)際電壓值可以在36-57V范圍內(nèi)拧咳。高達(dá)最大開關(guān)電壓兩倍左右(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)允許開關(guān)尖峰等)的電壓要求必須采用額定V_DS為100V的分立MOSFET。

圖2:熱插拔控制器囚灼。

圖2給出了一個(gè)PoE控制器,使用分立的MOSFET控制四個(gè)端口骆膝。在這個(gè)例子中,使用的是飛利浦半導(dǎo)體的PHT4NQ10T。按照這種配置,每臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)或“中跨”集線器要使用12片IC和48個(gè)MOSFET灶体。到2007年,用于這些應(yīng)用的MOSFET的總有效市場(chǎng)容量將達(dá)到5,700萬美元(3億8千4百萬只),而IC則為4,800萬美元(9,600萬片)阅签。

PoE控制器通常指的是“熱插拔”(Hot Swap)控制器,這些IC的功能包括:

分別控制四個(gè)獨(dú)立的PoE端口；

檢測(cè)有效的用電設(shè)備的連接狀況捧懈；

(使用低阻值的檢測(cè)電阻)監(jiān)控MOSFET的穩(wěn)態(tài)電流卡宛；

當(dāng)用電設(shè)備剛剛連接到一個(gè)端口時(shí),控制浪涌電流以及MOSFET的功耗；

具備低電流斷開檢測(cè)功能以確定用電設(shè)備是否斷開連接狐怯。

在正常工作下,當(dāng)一個(gè)端口已經(jīng)供電并且用電設(shè)備的旁路電容已經(jīng)充電到端口電壓,外部MOSFET的功耗非常低。這意味著較小的MOSFET就能用來完成這個(gè)功能贪犁。然而,IEEE802.3af的其它要求,例如加電時(shí)的浪涌電流以及不兼容的用電設(shè)備連接到端口的風(fēng)險(xiǎn),要求MOSFET能承受很大的瞬態(tài)功耗颜肥。正是基于這些原因,才選用了分立MOSFET而不是集成方案。

對(duì)于用在以太網(wǎng)交換機(jī)中的MOSFET的更進(jìn)一步的要求是在關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流非常低檀氏。IEEE802.3af要求每端口絕對(duì)最大漏電流不得高于12(A,而且這個(gè)要求還包括了除MOSFET之外其它可能存在的保護(hù)電路的泄漏途徑退厕。飛利浦半導(dǎo)體的MOSFET就是被設(shè)計(jì)成為符合此項(xiàng)要求的,其最大漏電流僅為1(A。

電源管理器件在用電設(shè)備中的使用

用電設(shè)備的框圖如圖3所示纳帽。來自以太網(wǎng)電纜的直流電源通過二極管橋式整流器恢復(fù),因此消除了用電設(shè)備電路電壓極性加反的可能性寸颇。當(dāng)一個(gè)設(shè)備接入到一個(gè)PoE端口時(shí),以太網(wǎng)交換機(jī)就執(zhí)行一個(gè)“發(fā)現(xiàn)”程序以確定這是一臺(tái)被設(shè)計(jì)用來接受以太網(wǎng)供電的設(shè)備,還是不支持PoE的老式設(shè)備。

當(dāng)用電設(shè)備斷開時(shí),也會(huì)執(zhí)行“發(fā)現(xiàn)”程序挣呛。之所以需要這個(gè)發(fā)現(xiàn)程序的原因是將高電壓(48V)連到許多過去的設(shè)備上時(shí)會(huì)造成設(shè)備損毀础健。

有鑒于此,電壓與已有的傳統(tǒng)設(shè)備兼容時(shí),“發(fā)現(xiàn)”才會(huì)發(fā)生,只有在“發(fā)現(xiàn)”成功后才能提供高電壓直流電源。IEEE802.3af的“發(fā)現(xiàn)”機(jī)制基于特征阻抗檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)的舰绘。

通過確定從每個(gè)端口吸取的功率,供電設(shè)備(PSE) 能借助系統(tǒng)電源管理協(xié)議,同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)供電的輸出能力決定其所能支持的用電設(shè)備總數(shù)蹂喻。為了實(shí)現(xiàn)這種電源管理,要在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)加入一種稱為“分類”的可選方法∥媸伲“分類”方法可以讓用電設(shè)備向以太網(wǎng)交換機(jī)或“中跨”集線器報(bào)告其最大功率需求,因此電源管理協(xié)議能將未用的功率分配給其他端口,從而充分利用電源容量口四。

圖3:用電設(shè)備框圖孵运。

接口控制器的功能是作為用電設(shè)備電路主電路的“通斷開關(guān)”,是基于一個(gè)100V的N溝道MOSFET。僅當(dāng)輸入的48V電源在容許范圍內(nèi)時(shí),接口控制器才允許將用電設(shè)備接入電路蔓彩。此外,接口控制器通常還提供浪涌電流限制和故障電流限制功能治笨。MOSFET的浪涌性能要與上述以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用中的100V MOSFET相當(dāng)。

一旦“發(fā)現(xiàn)”過程完成,且接口控制器確定電源電壓在容許范圍內(nèi)時(shí),接口控制器的MOSFET會(huì)開啟,電源就施加到隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器赤嚼。隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器要能在用電設(shè)備前端和PD電路的其他部分間提供1,500V的隔離(這是一個(gè)安全特性),向這些電路的輸入端提供一個(gè)或多個(gè)較低的直流電壓,其總的最大功耗為13W旷赖。轉(zhuǎn)換器的輸入額定電壓通常為48V,采用通用的前向式和回掃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是常用的DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu),它與低功率電信電源極為相似,現(xiàn)有的多個(gè)控制器IC可以滿足這一要求,如飛利浦半導(dǎo)體GREENCHIP系列中的 開關(guān)電源控制器IC-TEA1502探膊。

本文小結(jié)

據(jù)VDC預(yù)測(cè),到2007年,高達(dá)49.6億個(gè)端口將采用電源管理芯片杠愧。由于并不是所有的端口都會(huì)被利用到,假定其中的一半會(huì)投入使用,也就是說用電設(shè)備的總有效市場(chǎng)為24.8億。

綜上所述,PoE是一項(xiàng)改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電方式的全新技術(shù)逞壁。假以時(shí)日,PoE將成為很多設(shè)備所采用的普及技術(shù)流济。而且,正是電源管理器件(既包括IC也包括MOSFET)成就了這種改變。

作者:Ian Moulding

行銷經(jīng)理

Christopher Hill

高級(jí)應(yīng)用工程師

飛利浦半導(dǎo)體公司電源管理業(yè)務(wù)線

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