用于PoE應(yīng)用的低成本隔離電源問題解析 - 全文

　　一、POE介紹

　　POE （Power Over Ethernet）指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動(dòng)的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。POE技術(shù)能在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時(shí)保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低成本。

　　PoE也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)（PoL， Power over LAN ）或有源以太網(wǎng)（ Active Ethernet），有時(shí)也被簡稱為以太網(wǎng)供電，這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是基于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)POE的新標(biāo)準(zhǔn)，它在IEEE 802.3的基礎(chǔ)上增加了通過網(wǎng)線直接供電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，也是第一個(gè)關(guān)于電源分配的國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　二、POE原理

　　標(biāo)準(zhǔn)的五類網(wǎng)線有四對雙絞線，但是在10M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的兩對。IEEE80 2.3af允許兩種用法，應(yīng)用空閑腳供電時(shí)，4、5腳連接為正極，7、8腳連接為負(fù)極。

　　應(yīng)用數(shù)據(jù)腳供電時(shí)，將DC電源加在傳輸變壓器的中點(diǎn)，不影響數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式下線對1、2和線對3、6可以為任意極性。

　　標(biāo)準(zhǔn)不允許同時(shí)應(yīng)用以上兩種情況。電源提供設(shè)備PSE只能提供一種用法，但是電源應(yīng)用設(shè)備PD必須能夠同時(shí)適應(yīng)兩種情況。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定供電電源通常是48V、13W的。PD設(shè)備提供48V到低電壓的轉(zhuǎn)換是較容易的，但同時(shí)應(yīng)有1500V的絕緣安全電壓。

　　三、POE的系統(tǒng)構(gòu)成

　　一個(gè)完整的POE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備（PSE， Power Sourcing Equipment）和受電端設(shè)備（PD， Powered Device）兩部分。PSE設(shè)備是為以太網(wǎng)客戶端設(shè)備供電的設(shè)備，同時(shí)也是整個(gè)POE以太網(wǎng)供電過程的管理者。而PD設(shè)備是接受供電的PSE負(fù)載，即POE系統(tǒng)的客戶端設(shè)備，如IP電話、網(wǎng)絡(luò)安全攝像機(jī)、AP及掌上電腦（ PDA）或移動(dòng)電話充電器等許多其他以太網(wǎng)設(shè)備（實(shí)際上，任何功率不超過13W的設(shè)備都可以從RJ45插座獲取相應(yīng)的電力）。兩者基于IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)建立有關(guān)受電端設(shè)備PD的連接情況、設(shè)備類型、功耗級別等方面的信息聯(lián)系，并以此為根據(jù)PSE通過以太網(wǎng)向PD供電。

　　四、POE供電方法

　　中間跨接法（ Mid -Span ）

　　使用以太網(wǎng)電纜中沒有被使用的空閑線對來傳輸直流電，應(yīng)用于普通交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備之間，可以通過網(wǎng)線給網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備供電，Midspan PSE（中跨供電設(shè)備）是一個(gè)專門的電源管理設(shè)備，通常和交換機(jī)放在一起。它對應(yīng)每個(gè)端口有兩個(gè)RJ45插孔，一個(gè)用短線連接至交換機(jī)，另一個(gè)連接遠(yuǎn)端設(shè)備。

　　末端跨接法（End-Span）

?

　　是在傳輸數(shù)據(jù)所用的芯線上同時(shí)傳輸直流電，其輸電采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)不同的頻率。相應(yīng)的Endpoint PSE（末端供電設(shè)備）有支持POE功能的以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備?？梢灶A(yù)見End-Span會(huì)迅速得到推廣，這是由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與輸電采用公用線對，因而省去了需要設(shè)置獨(dú)立輸電的專用線，這對于僅有8芯的電纜和相配套的標(biāo)準(zhǔn)RJ-45插座意義特別重大。

　　五、用于PoE應(yīng)用的低成本隔離電源問題解析

　　本文描述一種用于 POE （Power-over-Ethernet以太網(wǎng)供電）用電裝置（Powered DevICe-PD）的易用、 低成本 、 隔離電源 。以太網(wǎng)供電是通過已有的CAT-5 Ethernet 纜線為以太裝置提供數(shù)據(jù)和電源新功能。PoE由IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)決定。PoE正在迅速得到制造商和用戶（如VoIP電話，無線接入點(diǎn)，保密相機(jī)、售貨終端）的喜愛。PoE系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：

　　·低成本—可以消除墻上電源。

　　·靈活的接入點(diǎn)配置—無線接入點(diǎn)不再需要配置在AC電源的周圍（或需要有AC電源線通過）。

　　·遠(yuǎn)程管理能力：IP電話和 WLAN接入點(diǎn)可以遠(yuǎn)程上電或下電。遠(yuǎn)程主機(jī)可以確定有多少裝置需要電源和決定哪些裝置應(yīng)該通電。

　　·較高的可靠性：在開關(guān)末端可以用冗余電源。

　　·全球兼容性：PoE建立一個(gè)通用全球電源連接器。

　　為了依從IEEEE802.3af PoE標(biāo)準(zhǔn)，Ethernet線上的用電裝置（PD）必須在起動(dòng)時(shí)能被識(shí)別，被分類，被控制并滿足隔離要求。按802.3af的隔離要求，一個(gè)PD應(yīng)該在電源接口（PI）線，外部導(dǎo)線和機(jī)架地之間提供電氣隔離。隔離必須滿足IEC60950-1:200子項(xiàng)6.2的1500V SELV要求。安裝在塑料殼中的VoIP電話（無外部連接器或纜線）可滿足這種要求。實(shí)現(xiàn)隔離的另一種方法是用帶變壓器的電源變換器，它具有1500V隔離和光隔離輸出電壓反鎖。電氣隔離對VoIP電話和WLAN接入點(diǎn)制造商來講是一種應(yīng)留心的選擇，希望在其用于下游臺(tái)式PC的產(chǎn)品中包含另外的Ethernet端口。

　　本文所描述的隔離電源能經(jīng)Ethernet纜線為PD工作提供系統(tǒng)電壓。電源由下列部分組成：PoE控制器，EMI濾波器，隔離電源變換器和第二變換器。盡管此電源是專門為VoIP電話設(shè)計(jì)時(shí)，但其特性是通用的，并可容易適用于其他PoE應(yīng)用，此電源的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是：低成本、小尺寸、高效率和符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)。此電源的完整電路示于圖1。

　　PoE控制器

　　TPS2370是做為電源設(shè)備（ PSE ）和用電裝置（PD）的接口。執(zhí)行IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)所需的所用檢測，分類起動(dòng)電流限制和開關(guān)FET控制。當(dāng)PSE加電壓1.8V~10V到24.9KΩ顯示電阻R2時(shí)，檢測Ethernet的存在，當(dāng)PSE加15V~20V到分類電阻R5時(shí)，設(shè)置PD的分級。PD的分類電平標(biāo)記PD需要多小來自Ethernet線路的電源。內(nèi)部FET和控制電路限制來自Ethernet線路的啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)電流，用戶可用R4設(shè)置啟動(dòng)電流限制。C10用于消除線路電感引起的啟動(dòng)振蕩。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)限制該輸入電容器大小為0.15mF，D9防止任何耦合進(jìn)Ethernet線路的瞬變。在此應(yīng)用中，D1~D4隔離Ethernet電源和外部穩(wěn)壓48VDC電源。二極管通常也用在Ethernet線路保護(hù)極性反向和提供自動(dòng)極性校正。

　　輸入EMI濾波器

　　PD和隔離電源所產(chǎn)生的噪聲可能干擾所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和連接在同一Ethernet線路上其中PD裝置的工作。IEEE820.3af規(guī)定為保證數(shù)據(jù)完整性在PI/PD接口上所允許的最大紋波。此電源工作在100KHz，而在此頻率峰—峰電壓紋波限制是200 mV。應(yīng)注意，基頻100 KHz的諧波和 PD也可產(chǎn)生噪聲，這會(huì)增加濾涉要求。L1、L2和C3是一個(gè)差分濾波器，用于降低隔離電源所產(chǎn)生的電流脈沖，由于雜散電容所致在輸入電源線上也會(huì)產(chǎn)生噪聲。L3和L5濾波這些共模電流。IEEE802.3af限制是共模和差分模式紋波。很多PD也必須滿足FCC/EU輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以，共模濾法器設(shè)計(jì)應(yīng)把此需求考慮進(jìn)去。

　　隔離電源變換器

　　具有自動(dòng)驅(qū)動(dòng)同步整流器3.3V輸出的反激變換器用于該設(shè)計(jì)。同步整流器與肖特基二極管相比，具有非常小的壓降，這可增加效率。為了使用同步整流器在整個(gè)初級開關(guān)關(guān)閉時(shí)間具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)波形，就需要連續(xù)電流模式工作。T1是反激變壓器（實(shí)際是一個(gè)電感器，它儲(chǔ)存能量），MOSFET Q2隨可變占空比和100KHz周期開和關(guān)，使T1儲(chǔ)存能量，在Q2導(dǎo)通期間，輸出電容器提供全部負(fù)載電流。在Q2 關(guān)閉期間， Q1柵板和源極之間的電壓是正的，使其導(dǎo)通。電流流入輸出電容器，重新充電這些電容器并進(jìn)入3.3V負(fù)載。為了穩(wěn)壓3.3V輸出，測量電壓與 TLV431A并聯(lián)穩(wěn)壓器U5中的基準(zhǔn)進(jìn)行比較。光電隔離器U4提供反饋通路中的隔離。U3是UCC3809 PMW控制器，它控制Q2導(dǎo)通時(shí)間，然后調(diào)整3.3V輸出。Q2導(dǎo)通時(shí)間控制儲(chǔ)存在T1中的能量值，依次調(diào)整提供給次級的能量，穩(wěn)定3.3輸出。

　　在變壓器T1增加另一繞組（用適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比）產(chǎn)生第二個(gè)輸出電壓。肖特基二插管D5，在Q2關(guān)閉期間正向偏置，允許電流流入輸出電容器和5V負(fù)載。以這種方式所產(chǎn)生的第二個(gè)輸出是半穩(wěn)壓輸出，其容差為8%~10%，這取決于輸入線路和負(fù)載。為了得到更好的穩(wěn)壓，把輸出設(shè)置銷微高于所需電壓，并采用低壓降穩(wěn)壓器（LDO）來提供較高的穩(wěn)壓性能。LDO可達(dá)到1%~2%容差。

　　非隔離電源變換器

　　PD需要另外2個(gè)電壓，需要1個(gè)可調(diào)12V~24V（20mA），用于LCD顯示的偏置。3×3mmQFN封裝的TPS61045高頻升壓變換器U6用于升壓3.3V輸出。DSP芯核電壓需要1.5V（250mA）。TPS62210同步降壓變換器（SOT23-5封裝）U7用于降壓3.3V到1.5V （效率87%）。這兩個(gè)IC器件都具有內(nèi)部電源開關(guān)和控制環(huán)路補(bǔ)償，這減少了外部元件數(shù)，板空間和成本。