從PoE過渡至PoE+的設計方案

從PoE過渡至PoE+的設計方案

　　2003年，針對以太網供電(PoE+)的IEEE802.3af標準為以太網開辟了一個新的應用領域，即通過以太網同時傳輸DC功率和10/100/1000Mbps數據。該標準規(guī)定了12.95W的標稱傳輸功率，對于早期接受這項新技術的應用(包括標準VoIP電話、安全攝像機和無線接入點)來說，該功率綽綽有余。自此之后，PoE基礎設施在業(yè)界變得十分普遍。與此同時，人們對于附加功能和較高功率的需求也有了顯著的增長。固定安全攝像機逐漸獲得了全動感視頻，無線接入點能夠在更遠的距離上提供更高的信號強度，而VoIP電話則可提供視頻和外設支持。為對功能的增加提供支持，這些受電設備(PD)需要從PSE(供電設備)獲取超過最初PoE標準規(guī)定限值的功率。人們開始考慮制定基于IEEE802.3af規(guī)范的IEEE802.3at(亦稱PoE+)標準，旨在適應新的高功率應用需求。

　　PoE+滿足高功率需求

　　需要進行謹慎工程設計的領域之一是將被用來實現PSE和PD相互識別的新型分級機理。實現這種相互識別需具備以下能力：PSE可以正確地為802.3af(也稱作Type 1硬件)和802.3at(Type 2硬件)PD供電；可以由802.3at PSE來為802.3af PD供電；802.3at PD可以知曉它們是否具有其較高負載所需要的完整可用功率。每種組合都需要擁有一種明確定義和一致的工作特性，以保持802.3標準內部的互操作性。借助一種更加精細的硬件分級機理和一種新型數據層機理，這種相互識別能力在PoE+中得以實現。

　　PoE+增添了一種被稱為“兩事件分級”的新型硬件分級，并要求PSE必需重復進行兩次802.3af電壓探測。PD的每次電壓探測都將導致吸收單個電流脈沖(圖1)，這對應于一個特定的功率級。作為開始，PSE將在數據或備用線對上確定一個約15.5V至20.5V的電壓脈沖。PD以一個高達40mA的電流做出響應，該電流把4種功率等級之一傳送至PSE。雙脈沖是一個發(fā)送至PD的指示信號，表明連接的PSE確實是一個高功率PSE，能夠提供與802.3at功率相關聯(lián)的較高功率級。802.3at PD以一個Class 4電流做出響應，由此向PSE傳遞這樣的信息：自己是一個需要完整可用功率的高功率PD。802.3af中的Layer 1分級方法提供了一種可任選的方法，供PSE向PD發(fā)出詢問信號以確定PD的功率需求。然而，在802.3at規(guī)范中，目前指令要求Type 2 PSE至少應執(zhí)行單事件硬件分級。

　　除了硬件分級的升級之外，PoE+特別工作組還定義了一種被稱為鏈路層發(fā)現協(xié)議(LLDP)的新型數據層(Layer 2)分級，用于實現PSE和PD之間的通信。一旦建立了一條鏈路，PSE和PD便能夠采用LLDP來確定PD的功率需求。LLDP的運用使得PSE能夠反復詢問PD并確定PD的狀態(tài)及其功率需求。利用該機理，如今可以實現動態(tài)功率分配，此時，PSE能夠連續(xù)地分配功率至PD(以0.1W為增量)，而且PD可以提出請求，并隨后交出功率。通過Layer 2進行的通信實現了用于獲得諸如峰值功率、平均功率和占空比等更多信息的高級功能。隨著系統(tǒng)朝著更“綠色”電源環(huán)境的方向發(fā)展，這種動態(tài)功率分配肯定將成為一個重要的特點。LLDP是一種用于PSE的任選分級機理，但必需由PD來執(zhí)行。如果PSE僅執(zhí)行單事件分級，則PD可以通過LLDP協(xié)議來協(xié)商獲取較高的功率。圖1給出了PoE+采用的這兩種分級方法。

　　有兩類PSE，即“中跨”和“端跨”。顧名思義，被稱為“功率注入器”的中跨控制器負責將功率注入現有的以太網電纜，并被放置于LAN交換器和受電設備之間。數據不經修改地通過一個中跨PSE進行傳送。由于無需更換交換器，因此這些控制器尤其便于現有網絡中的PoE安裝。另一方面，端跨設備則是一種具內置PoE能力的交換器(因而無需中跨)。當從頭開始構建一個新網絡時，采用端跨PSE。由于中跨僅可以使用電源層，因此它們運用PoE+中的新型兩事件分級來表達高功率能力。LLDP使用數據層，因此端跨控制器可以選擇運用這種附加分級法來與PD協(xié)商功率。

　　對于PoE系統(tǒng)而言，有兩個截然不同用于定義功率的位置，即：PSE輸出連接器和PD輸入連接器。PoE+規(guī)范中更加重要的改進之一是將電流的上限值規(guī)定為600mA?，F在，PSE必須要能夠連續(xù)提供至少600mA的電流和一個50V的最小輸出電壓。這轉化為一個30W的PSE輸出功率。電纜電阻的模型化設計值不大于12.5Ω，因而在PD連接器上產生了25.5W的可用功率。有必要把48V轉換效率考慮在內，這樣最終傳輸至PD負載的可用功率約為24.6W。

　　對于較高功率的需求當然是由市場驅動的，而且目前對可提供超出現行12.95W限值的功率的PD電源解決方案的需求已經很強烈。現在許多高耗能網絡設備都提出了更高的功率要求。那么，電路設計師如何應對他所面臨的高功率需求呢？解決方案是：采用由凌力爾特(Linear)公司提供的并符合新型PoE+標準的PSE和PD產品進行設計。這些產品滿足新標準所設定的功率限值，而且還可為專有應用提供更高的功率。

　　PoE+ PSE設計方案

　　目前所面臨的挑戰(zhàn)是PSE制造商必需將高功率PoE+端口迅速投入實際應用。針對PoE+標準進行現有PSE設計的升級需要滿足以下要求：能夠在不增加誤碼率的情況下接受更多偏置電流的改進型以太網磁性元件；具較高截止電流門限的新型PSE控制器芯片；視所采用的控制器芯片的不同，有可能需要使用具較大安全工作區(qū)(SOA)的較大MOSFET；較大的主電源；可能需要對各種各樣的元件(例如連接器、熔斷器、共模扼流圈、瞬態(tài)電壓抑制器二極管、電流檢測電阻器和EMI濾波器)進行升級以提供較高的電流。

　　所有這些元件在市面上均有供貨，而且802.3at磁性元件和芯片常?？梢院唵蔚刂苯犹娲?02.3af同類產品。盡管在將PSE從802.3af過渡至802.3at時需要進行很多設計變更，但我們將重點關注有助于這種過渡的關鍵元件——PoE+ PSE控制器。

　　凌力爾特的LTC4266(見圖2)是市面上首個完全符合802.3at標準的四通道PSE控制器，而且向后兼容至廣受歡迎的802.3af器件LTC4259A。LTC4266不僅為PD提供了新標準強制要求的功率級，而且還向后兼容最初的PoE標準，因而使得用戶能夠混合并匹配多達4個PoE和PoE+ PD。如前文所述，為符合802.3at標準，一個PSE必須要能夠在PSE連接器的輸出端上提供30W功率，這樣在補償了電纜損耗之后可向PD輸送25.5W功率。LTC4266可提供30W功率，但它是在大幅度降低熱耗散的情況下做到這一點的。

　　在設計下一代PSE時，應選擇一個能夠提供較高功率級、執(zhí)行新的分級機理、提供一個能夠高效輸送功率的可靠PoE系統(tǒng)的PSE控制器。LTC4266具有極低的熱耗散，因而與那些集成了不太魯棒、且RDS(ON)通常較高的MOSFET的PSE控制器相比，其應用方案的熱設計得到了顯著簡化。LTC4266支持外部MOSFET，而且如果某個端口由于MOSFET失效發(fā)生故障，這種失效也不會產生“骨牌”效應而導致相鄰通道受到牽連。而這一點恰好是采用內部MOSFET時所擔心的。LTC4266的準確度允許采用低價值的檢測電阻器。更重要的是，在管理線路電流和電壓時還可采用低RDS(ON) MOSFET。由于阻值可以低至0.25Ω(對于檢測電阻器)和0.09Ω(對于MOSFET)，因而它的最大總通道電阻僅為其他PSE控制器的一半。這樣，熱耗散的顯著降低，使得設計師能在未使用散熱器的情況下輕松、可靠地使用LTC4266。

　　采用凌力爾特完全符合IEEE802.3at標準的四通道PSE控制器的供電設備已經投入使用?？稍诿總€端口上提供30W功率的中跨和端跨設備目前已有現貨供應。對于那些不愿意勞心費力地從零開始設計的PSE設計師而言，由諸多供應商(包括Molex、Tyco和Belfuse公司)提供的新型PoETec PSE ICM (集成化連接器模塊)是一種理想的8端口和12端口替代解決方案(采用了LTC4266PSE控制器)。

　　PoE+ PD設計方案

　　PD側的802.3af至802.3at的過渡會稍簡單一些，或者至少設計師所需考慮變更的元件較少，這是因為可能需要升級的僅有橋式整流元件、PD控制器、DC/DC控制器和變壓器，就基本可以滿足這PD負載的功率要求。相比于PSE，熱耗散在PD中并不是大問題，但仍需要優(yōu)先考慮功率效率。設計師還必須決定一個PD是否將能夠支持來自墻上適配器的輔助電源，或是否需要對PD負載進行隔離。與PSE升級至PoE+時相似，PD設計是否成功在很大程度上取決于PoE+ PD控制器。

　　為最大限度地提升PD的效率，必須做出某些關鍵決定。對于隔離型設計，最好避免使用轉換器反饋環(huán)路中常用的光耦合器。不過，最重要的決定或許是選擇一個可實現這些高效率方法的靈活PD控制器。作為一個基準點，凌力爾特的LTC4269為隔離型設計提供的效率水平達到了令人難忘的94%。

　　LTC4269是一款完全符合IEEE802.3at標準的PD控制器，而且是LTC4266的配套器件(見圖2)。LTC4269是一款具有一個集成開關穩(wěn)壓器的全功能PD控制器，并具有低至16V的輔助電源支持能力。盡管802.3at標準將PD功率的上限值規(guī)定為25.5W，但LTC4269并未設定電流限值，且能方便地提供30W以上的功率，從而造就了專有的功率級，并為實現超出PoE+標準規(guī)定范圍以外的PD功能開辟了道路。LTC4269的可靠性通過集成一個魯棒型100V熱插拔(Hot Swap)MOSFET得到了增強。該MOSFET負責在檢測和分級期間對PD控制器和DC/DC轉換器進行隔離，并提供100mA的浪涌電流，以便在采用任何PSE的情況下實現平滑的上電變換。

　　為優(yōu)化PD設計，LTC4269提供了兩種版本。這兩種版本之間的差異在于所使用的特殊開關電源。LTC4269-1集成了一個同步反激式控制器，而LTC4269-2則集成了一個同步正激式控制器。反激式轉換器提供了一種低元件數目設計，其優(yōu)點是可通過簡單地增加繞組來獲得額外的輸出，而正激式控制器則可在較高的負載電流條件下提供略優(yōu)于反激式控制器的效率。在這兩種場合中，同步整流均提供較高的輸出功率、提升的轉換效率和改善的交叉調節(jié)性能(在具有多個輸出的應用中)等好處。此外，在低噪聲系統(tǒng)設計中，還可以使控制器同步至一個外部振蕩器。

　　還有一點值得注意的是，LTC4269-1采用了凌力爾特公司的專利No-Opto(無光隔離器)反饋拓撲結構，以在無需增設光隔離器電路的情況下提供完整的IEEE802.3隔離(見圖3)。這消除了執(zhí)行光耦合器反饋的缺點，包括由于光耦合器容差所導致的易變環(huán)路增益、高溫敏感性和較高的成本。反饋環(huán)路中使用的傳統(tǒng)光耦合器和并聯(lián)穩(wěn)壓器被現有變壓器上的一個附加繞組所取代，旨在改善穩(wěn)壓性能和效率并簡化電路。

　　本文小結

　　PoE+標準為業(yè)已確立的PoE網絡產業(yè)帶來了更高功率和更好的分級方法。為與PoE+標準相符，一個PSE必須為數據或備用線對提供30W功率，而一個PD在RJ45連接器輸入端上所吸取的功率一定不得超過25.5W。符合PoE+標準的PSE必須能夠執(zhí)行單事件硬件分級，而新型兩事件分級和LLDP數據層分級則是可任選的高功率分級機理。在受電設備側，PD必須要能夠對兩事件分級(由PD控制器)和LLDP(由PD微處理器)做出響應。PoE+兼容型設計方案已經投入使用。

　　凌力爾特的LTC4266和LTC4269是率先面市的新型PoE+設計，它們的推出使得PSE和PD制造商能生產出下一代設備。凌力爾特積極參與IEEE802.3at特別工作組的相關工作，并正在開發(fā)更多符合IEEE802.3at標準的產品。表1完整地列出了凌力爾特發(fā)布的PoE+器件。這些新產品將為凌力爾特現有的PD產品提供一條引腳兼容型升級途徑，旨在實現至PoE+新標準的平穩(wěn)過渡。凌力爾特的產品將繼續(xù)提供堅固型設計和經過實地應用驗證的可靠性，并得到豐富技術經驗的有力支持，而這是通過多年設計面向眾多應用的PoE產品積累起來的。