如何设计兼容现今产品并着眼未来的 oE 受电设备

1如何设计兼容现今产品并着眼未来的PoE受电设备IEEE802.3af以太网供电(PoE)标准描述了如何通过以太网CAT-5电缆分配最高达12.95W的功率，以便网络设备能在没有AC电源线的情况下工作。IEEE委员会正在定义一个可提供更高功率的类似标准。目前，802.3af功率是由供电设备(PSE)提供，PSE管理功率分配并区分需要供电的用电设备(PD)和不需要供电的纯数据设备。由于PSE的检测方法可以实现上述区分，所以用户可以在其现有网络上部署PoE，而不会损坏纯数据以太网设备。讯图1糖：图怖3作所示绍P挖D塑实例错的虚I-图V齿曲线弹。

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大接通林范围裹以及黄作者恳推荐糖的范互围。因PD可以放置在没有AC电源插座的地方，并从集中放置的不间断供电电源(UPS)获得功率，因此给终端用户带来了极大益处。PD需要遵循802.3af的以太网供电接口和DC/DC转换器。但是，由于集成电路不能克服PoE的所有挑战：有些问题必须在板级和系统级解决。此外，一个解决方案不能适用于所有情况，设计师要能够在保持可互操作的同时根据其应用的需求定制解决方案。为了帮助设计师在满足应用需求的同时遵循802.3af标准并满足互操作性要求，本文列出了PD设计面临的多种难题，并用电路实例来说明可能的解决方案。大多数针对PD的IEEE802.3af标准都可以用图1所示的PDI-V曲线来描述。该曲线分成3个电压范围：2.7V至10.1V是检测范围；14.5V至20.5V是分级范围；30V至57V是供电范围。在这些范围里，PD的行为是受IEEE标准控制的，不过这些范围之间的过渡区域对互操作性来说也同样重要。PSE在检测范围进行探查以区分具有25k?电阻的PD和具有150?共模终端的非受电设备。在分级范围内，PD的电流根据它工作所需功率的大小而不同。当输入或端口电压超过30V时，PD开始从电缆获得功率以使其余电路工作。在大多数PD中，来自以太网端口的48V输入被转换成适用于PD电路的3.3V或2.5V。图2和图3显示的电路实现PD的全部PoE接口，其中包括DC/DC转换。这样一来，PoE接口就成了一个自含式电源，从而容许PD设计师把精力集中于使其PD与众不同的电路和软件上。与电缆链接务图2假设：从岗以太撑网电影缆获误得P吉oE聪功率枯和1鹅0/勒10沾0数柔据

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侦连接需到图暮3的哭输入逆端。PD的PoE接口和以太网PHY都必须连接到RJ-45插座上(参见图2)。75?共模终端电阻是AC耦合的，因此它们不干扰PoE。该终端连接到电缆的共模扼流圈端，这样扼流圈的电感和高AC阻抗不会影响该终端的阻抗。这些通路上的配线和电路板走线需要特别注意，它们需要保持低电阻。电路板采用宽走线并紧密放置元器件，以缩短走线长度。在磁铁(T1-T6)中，就确保DC电流不使T5或T6饱和以及不堵塞数据传输而言，控制线电阻尤其重要。自耦变压器T1和T2必须一起缠绕，以便中央抽头与该线对两条线之间的电阻相同。即使T1和T2的缠绕十分完美，电缆电阻仍然可以引起一些DC差分电压。通过让T1或T2的电阻低于扼流圈T3和T4以及数据变压器T5和T6的电阻，磁铁能吸引所产生的DC电流流经T1或T2。图2说明了这一点，图中较宽的线代表低电阻连线。把PD连接到备用线对非常简单，因为这些连线不传输数据，如图2所示，无需磁铁。(就把数据放在备用线对上的千兆以太网而言，把PD连接到图2中作为数据线对的那个相同磁铁上。)一旦磁铁从电缆获取功率和数据，那么无论是从备用线对还是从数据线对上看，PD都是一样的。实际上，就两种电压极性和两个线对而言，我们对PDI-V曲线的要求也是相同的。图3中D1-D8组成的一对二极管电桥把来自两个线对的信号组成一个单极性输出，容许一个遵循802.3af标准的PD接口(由图3中的LTC4267控制--LTC4267PoE为一受电设备控制器)为两个输入线对和两种极性提供效劳。除了二极管电桥，图2还有一个保护PD输入的瞬态电压抑制器(TVS)，因为振铃、过冲瞬态和静态电流以及地电位差等可能给电缆加上数百或数千伏的电压。由于电缆具有高达0.05μF的电容和低串联电感及电阻，所以这些电压所代表的能量可能相当大。瞬态电压抑制器可以吸收大局部能量，但是其余PoE接口必须设计成在TVS限制电压之前，能够抵挡住比工作电压范围高出20V至30V的电压。蝴图3厚：遵搏循们80响2.捕3a富f毯的顶Po滨E警接口签和D慢C/础DC龙转换顺器实助例图握。检测在建立PoE连接的过程中，检测是第一步也是最重要的一步。PD具有25k?共模电阻，而非用电设备具有150?电阻或开路共模终端。在2.7V和10.1V之间，PD必须具有25±1.25k?检测特征电阻。除了图3中与LTC4267一起画出的电阻本身，二极管电桥是PD25k?检测特征电阻的最重要局部。这些二极管的正向电压使特征电阻上的电压产生了偏移，IEEE标准要求这个偏移小于1.9V(对于在-40oC温度下工作的硅二极管足够了)。如图4所示，这些二极管的非线性串联电阻影响特征电阻。反向偏置电桥二极管会有泄漏，两个并联二极管的泄漏在10.1V反向偏置时必须低于IEEE规定的10μA。如图4所示，LTC4267通过集成和优化特征电阻以补偿二极管电桥和它自己的电源电流，极大地减轻了这些问题，减轻了设计师的负担。分级居表1傍：I喘EE抛E驶80岛2.压3a怕f斤PD课级遵别(益注意糖PD繁的0屯级和踏4级

巷没有渠列出什，也述不应辅该采饱用。钱)成功检测之后，大多数PSE会对PD分级以确定该用电设备会消耗多少功率。分级提高了PSE的功率管理能力，容许PSE用同样瓦数的电源为更多PD供电。例如，9个消耗功率为5W被定为3级的PD就最大限度地利用了一个150W电源的功率，因为该PSE必须向每个3级PD分配15.4W功率。如果同样的PD定为2级，那么该PSE会向每个PD分配7W功率，其150W功率可以给21个PD供电。用表1可以为PD选择适宜的级别，选择最大持续功率和峰值电流低于PD相应参数的最低级数(1、2或3)。分级是由PSE完成的，它强迫端口电压进入分级范围，然后测量PD电流。在整个分级区域，PD的电流必须符合表1所列的3个范围之一。尽管802.3af标准规定在检测和分级之间有超过5V的电压，但是这5V电压的大局部都被二极管正向电压(VF)随温度的变化给消耗掉。最高温度时，二极管的VF大约是0.5V，而最低温度时这个电压大约为0.9V。注意图1中典型I-V曲线的斜坡。如果检测与分级之间的过渡处理得不够平滑，那么可能发生振荡，因为PD的分级电流可能使端口电压降低到分级范围之外。即使有来自PSE的稳定电压，PD电流的迅速变化加上电缆100m的电感也可能引起振铃。电压在20.5V以上时断开分级电流所产生的负电阻可能引起更严重的振荡和互用性问题。为了最大限度地提高互用性，PD应该尽力实现平滑单调的I-V曲线，如图1所示。加电进PD接通并开始从电缆获得功率，PD设计就变得更加复杂了，因为PoE接口、DC/DC转换器和其余的PD电路要一起配合工作，并保证遵循802.3af标准。LTC4267就有为实现这种合作所需的两个最重要的局部：PoE接口和DC/DC转换器。欢图4奏：显盲示二熔极管拳电阻辫对P秒D检营测特匹征

殃影响鼠的检额测罩I-兄V浪曲线污。LTC4267一直等到输入到达36V时才开始获得功率，并把浪涌电流限制到140mA(参见图1)。通过等待输入到达36V，LTC4267在其接通(36V)和断开(30V)电压之间加上了6V的迟滞。如果端口电压由于LTC4267消耗电流的提高而降低，那么这一迟滞能防止LTC4267的断续振荡。一旦PD加电，LTC4267就切换到375mA的限流值，从而容许PD从电缆获得12.95W的满功率。具有较高浪涌电流限制的PD将需要一个更大的迟滞(802.3af最高容许12V)以防止振荡。给如果讲P遭D淋能在宿P傅SE气4裕00畅mA作至枝4形50疾mA宾的抽电流芒限制冰下于姑5茂0m彻s肺内加深电，纳那么部就不层需要汉自己眉限流批。不徒需要冈自己娇限流把或在帽5愤0m塘s自内加废电的循P熄D滋将由窝其它陶设备盾来关而断自敲己的俊电源慎。L射TC租42拆67折这诱样的抹P怕D表控制衫器集味成电表路采艳用电勒流限消制和罪称为将“电蓄源良享好〞希的功崭能来宪确保灶P豪D甚顺利京加电赠。这烘种控球制器虚的电似源良诸好输墨出在楼C暑IN纤充瓜电到迈端口粮电压蔬之前选，保饺持其爬余此PD匆电隙路断坝开。截如图炭3疤所侨示，冤在跑VP腹OR垂TN票和蛮P悬OU研T奴之间顺的电智压低魄于梅1.绒5V茶之伙前，落LT蚊C4列26闸7腹的P炮WR寻GD伍引归脚阻坚止其辽D病C/摧DC盆转哄换器相工作钳。采郊用电悉源良矛好信执号对畜D底C/刺DC种转牙换器孤来说当是很递重要烈，因倡为提财供恒康定输隐出功衔率的肤转换谱器在芝其输裁入电变压下模降时义会消夕耗更甩大的兆电流奸。如种果转恒换器站在低柿电压音时断责开，等由于江它消蜻耗电侵流较螺大，旦可能逆降低请C蜘IN永充危电速仙度甚柜至阻这止其愤充电浅。因从此，发电源榜良好机功能铲或其津它一阿些延父迟团DC贪/D详C开转换梢器接软通的钉方法禽对掀PD影成洗功加埋电至自关重超要。俘他获得牺功率蚁并50探ms字启堵动时五间一惕到，阅PD传的践C第IN半就盏应该静充电留到搜VP茄OR图T(巧低于摔二极巾管电爪桥胖VF令的玻2娃倍击)，氏而且梢P真D批的功妄耗必单须低洪于它雨所在症级别迫的最蛇高功躁耗(安参见题表泽1)那。P冒D完还必温须用等保持伯功率询特征状(M晶PS爆)信会号表六明其卖继续并存在艇。如末果没漠有桑MP贡S悬信号认，那肯么角PS千E熔会关径断电爷源，文防止氏带电过电缆岸插入李不接摩受功非率的芬以太假设网设优备。析MP杆S序具体谋表达惯为一遮个贴10宅mA丧或摧更高贸的黄DC陕电愧流和典一个屈低于裳2绳6.录35铸k?革、伞与超爪过宫0.各05友μF猪电咱容并明联的饰阻抗告。极梳少有狱P矩D族需要内特殊效电路拿提供储M搁PS旧。在相大多礼数情弦况下崇，P芽D帅正常墓工作谢所用夏的固CI唉N、蜘DC裕/D烛C布转换余器阻弊抗和舍电流起能满野足耕80益2.挖3a柜f声MP榜S待的需副求。观遵循尸能源冷之星制规定欧的益PD冬以里及其纷它功砖率很姻低的晓P奏D(今如恒大温器割等功唇耗可需能在姓应用蹲中引奏起问否题的浮P障D)汗容许式给出悉超过贺1些0m庸A名的M棒PS验电评流脉遥冲达顿7防5m迅s，谦而脉肠冲间畜隔可胖高至须2换50泛ms屠，这猾样可沈把功买率降跌低到可大约放1票00闭mW蹦。错与塞MP狸S杂一样侄，在正大多合数情辟况下戚，保谷持在愉分级咐限制恼内是睁由精PD稻的驶D懒C/乔DC乓转讨换器崖和从宵该转歇换器艇获得冷功率涨的电棒路来咐处理周的。扰设计牛师必痕须确份保姨PD绩电算路消粪耗的哪功率酬永远蒸低于网表秋1砌中相敏应级骆别的飞功率炭。负售载电和路不棉可能热消耗屠1军2.职95奏W，诸因为怠P工oE蒜接裹口(友大多孔数是讽在二馆极管架电桥嗽)和怠D宇C/涨DC苦转赤换器结损耗境了功斩率。最采用曲低泄拉漏肖织特基脾二极成管可逗以降程低二话极管真电桥骡的损殊耗。浪图偶3淋中，房LT秀C4乏26斤7葛的P违oE播接离口消殖耗的帆功率肺低于伟1右80浇mW雁，V知PO姿RT叔N隙和泊PO齐UT叮之筒间的勿1溜.6唱?歼RO小N湖MO姿SF野ET驱损甜耗佣20宇0m式W桐功率甲，剩伴下导12欢.0拉7W沾=1邮2.愚95长W-译0.丹50孤W-学0.面18层W-僻0.驻20与W。圆这佩12胶W扩中有仆多少浅提供岁给膝PD异电底路还但要取导决于佳D框C/址DC棋转藏换器递的效程率。窝相隔离迷弓图3呢中键在角DC下/D殃C震转换凶器有眠关的们最重道要方医面是拌输入贺与输睁出之询间的疤隔离由。大塞多数巨P目D扇需要搂隔离睬的明DC面/D蓬C暮转换耐器，壤因为俱8喘02路.3耀af横标见准要倾求以珍太网袭插座莲引脚普与敢PD助之烛外的辟其它辱任何积导电荡局部萝隔离缩。隔防离的侦D臭C/骗DC腔转熟换器净满足皇这一累隔离晨要求凶，其椅余帽PD裕电粗路可族以设就计成演没有勺附加店隔离败措施偶。惩绸缪醒未来痛船几乎用是尤80爸2.妙3a脱f龙以太晕网供锈电标氏准刚凭一发奉布，旨用户衰就开香始要练求更炕高功兵率了紧。1没3夏瓦对兽于基承本僚IP砍电斤话来吸说足据够了如，但策是就予机动销化相劫机、编多重茎无线乒接入倍点和尤具有授大型昌彩色胀显示悲屏的丢产品秆而言开，1走3喊瓦功大率让庆它们僵受到貌了严寨重限拢制。择为此只，I心EE别E递已经泼新成糠立了兄一个咸名为饲P稼oE衫+底的研总究小劈组，效该小剥组将京制订英新标阶准，模容许借更高娘功率跑的设预备与壶今天跨提供少的杏80吸2.烈3a期f蚂设备观共存谎。队尽管抱普通蓬C巷AT病5阳电乘缆包叠括回4到个双秀绞线酷对，宴但是施80板2.月3a展f誓标准谣在任饲何时透候都异只允谅许两弓个线奏对携跪带电向流。必一个碰可选甲方案宅是允柔许额木外电线流流愉过第弹三和蜂第四额线对赠，从闹而使店可用头功率这翻倍绝。第询二个葱可选土方案课是提沈高电欣流限叹度，汗容许昌在两刃个线取对上煌传送叮更高望的功该率。秩现在紧这两小种方丸法每练种都誓在专难用票Po朗E安系统般中出限现了蛋。但处是，好每种泽方法慧都有令自己惕的缺窑点，摇因此看难于绸在它发们之置间做狱出选闪择。杨哄利用藏所有辱4婶个诵线对饶有可校能给饲受电挠设备扬(P渣D)宰提供坡最高催功率恨，因概为这受种方革法利浊用了李电缆诉中的身所有究传导逢能力团，最狡大限晕度地搁降低撞了端诵到端听电阻固和电催阻带洽来的堆功率孩损耗轧。但传是，贷给所毁有臣4添个线誉对供匹电差肉不多逝使端离口控缺制器话电路巧的成柄本翻肆了一都番，染因为马4伟线津对袜PS模E父必须闸为每笼套线达对提奋供检迁测和鞠故障否控制糊。而贷4墨线鲜对割PD改必写须限堤制从表每个该线对普获得君的电幻流，盈而且士即使卸输入央线对酱之间沫的电厕压相耳差非追常大产时，独也必上须保壤持电跌流平翻衡。漠滋两线农对方切法避墨免了奏本钱问和电陪流平秆衡问爹题，伪只需派要对加今天范8宰02育.3研af魄