兼容IEEE802.3at的高功率以太網供電的設計與分析

王 蕾,楊 鑄

(武漢郵電科學研究院,430074)

0 引言

隨著網絡技術的發展，很多設備都要求同時進行數據連接和電源供電支持，然而很多設備安裝在距離機房較遠地方，為每個設備提供一套外置電源會大大增加組網成本，為了解決此類問題，IEEE在2003年6月通過了IEEE802.3af標準--以太網供電標準，該標準規定了供電設備可以通過以太網向功率在13W以下的受電設備供電，但隨著雙波段接入、視頻電話等高功率應用的出現，13W已經不能滿足需求，故IEEE在2009年通過了新的PoE標準802.3at（PoE Plus）以提高以太網供電的功率，滿足高功率應用的要求。

1 IEEE802.3at標準簡介

為了遵循IEEE802.3af標準，受電設備(PD)上的PoE功耗被限制為12.95W，當高功率應用出現時，13W的供電功率就遠遠不能滿足需求，從而限制了以太網供電的應用范圍、為了克服PoE供電的功率瓶頸，并將其推向新的應用，IEEE對IEEE802.3at實現的可能性進行評估，于2009年通過了802.3at標準，在新的IEEE802.3at中將功率高于12.95W的設備定義為class4，可將功率水平擴展到25W或更高，由于能支持更高的功率，802.3at標準能將PoE應用很容易的擴展到新的領域。

802.3 at標準定義了一個新的數據層分級，稱為LLDP(Link Layer Discovery Protocol,即鏈路層發現協議)，用于PSE與PD的通信。當鏈路層上電，PSE與PD將使用LLDP來確定PSE可提供功率和PD的功率需求，并運行PSE反復查詢PD，以動態了解PD的功率需求，有了該機制，就可以實現功率的動態分配，PSE可以隨PD的功率波動調整供電功率，PD也可以提出并放棄之前的功率請求。

表1

802.3 at與802.3af相比，可輸出2倍以上的電力，單個端口的輸出功率在30W以上，可以擴展PoE的應用范圍，二者在功率、分級、線纜上有不同的定義，如表1所示：

2 PoE的構成和工作原理

一個完整的PoE系統包括供電端設備PSE(Power Sourcing Equipment)和受電端設備PD(Power Device)二部分，PSE是用來給PD設備進行供電的設備，同時管理整個以太網供電過程，PSE可以分為二種，即端點設備(End point,PoE功能在網絡交換機里面集成)和中間跨接設備(Midspan,一種沒有交換機功能的中間設備)，PD受電設備則是消耗PSE電能的。

IEEE802.3at標準規定：以太網供電可以采用網線中的數據線1,2,3,6四根線供電，也可以采用備用線4,5,7,8供電， 如圖1所示。IEEE802.3at 標準不允許采用四對線纜同時供電， PSE只能選擇其中一種線纜供電方式，而PD需同時支持這兩種線纜供電方式。

圖1 數據線對和空閑線對供電方式

3 方案設計

先介紹一種可以支持多種功率的電源設計方案，最高達90W,主要由一下幾個部分組成;PSE接口控制器、以太網供電電源數據合并及分離電路、PD接口控制器。

3.1 PSE設計

根據IEEE802.3at標準，PoE供電需要經過一系列的檢測和分級才能對設備供電；當建立供電機制后，需要監控PD的供電情況，在必要的時候需要PSE斷開對PD的供電；具體過程大致分為檢測、分級、供電和斷電，802.3at標準采用了比802.3af更加詳盡的硬件分級機制和數據層機制使PSE和PD設備能夠相互識別，有了這種識別能力，供電設備(PSE)就可以合理的向受電設備(PD)供電，802.3af受電設備也可以由802.3at設備供電，并且802.3at受電設備能夠知道它能夠得到其較大負載的全部功率。

PSE控制器檢測電路不能由于偏移、噪聲和連接抖動等影響PD的發現，PSE工作時首先檢測網絡上是否有PD設備，然后按照功率等級對設備進行分級，然后對PD供電，同時監控供電的情況，對PD的后續狀態做出判斷和相應的處理。

設計中使用Linear 的以太網供電（PoE）接口控制器LTC4274,能夠提供最高達90W的LTPoE++的電源并兼容LTPoE++的受電設備(PD)，該芯片提供用電設備偵測、分級、限流以及交流或直流負載斷開的探測。兼容IEEE802.3at的type1(13W)和type2(25.5W)的端點跨度PSE、中間跨度PSE系統；其內部有底開通內阻的MOSFET管和0.25Ω的用于檢查電流等級的檢測電阻， 由于其內阻小，才為其低功耗提供了可能。LTC4274擁有通用的I2C接口，14-bit的電流控制ADC，可編程的電流限制DAC，通用的快速關斷SHDN端口，其接口電路如圖2所示：

圖2 基于LT4274的PSE接口電路

3.2 電源數據傳輸電路

電源數據合并傳輸電路如圖3所示，根據IEEE802.3at的要求，是可以使用數據線或者空閑線供電(此時硬件上只用選擇其中一組即可)，但是當PSE提供的功率高于38.7W的時候，單獨的數據線或者空閑線供電時，單根傳輸線承受不了那么大的電流，故LTPoE++私有協議中將數據線和空閑線同時供電以滿足大功率的要求。在圖3中選用MIDCOM WURTH 749022016變壓器，用于Midspan PSE數據和電源的合并傳輸。網絡數據信號先隔離共模信號，再通過網絡變壓器耦合到網線的另一端，這樣網線與PSE電源適配器無物理上的連接，PSE電源適配器上通過壓敏電阻提供2KV的耐壓，起到了防雷保護作用，Bob smith電阻提供給網絡端口任意二對查分信號間提供150Ω的阻抗匹配，同時釋放共模信號。

電源數據分離電路類似合并電路，為防止電源適配器產生的噪聲干擾數據信號及其它設備，同樣使用MIDCOM WURTH 749022016變壓器，變壓器將PSE送過來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波，通過電磁場的轉換，再隔離共模信號送到另一端，完成信號的分離，再將數據信號從 RJ45端口接出去，電源信號則經過整流橋，使PD能夠在主輸入端或者備用輸入端接受任一極性的電源。

圖3 電源數據合并電路

3.3 PD設計

IEEE802.3at允許PSE使用網線中的數據線傳輸電源，還允許使用備用線對PD進行供電，PD要能支持二種供電方式， 當在高達90W功率下工作時，由于單根傳輸線的電流承受能力有限，將使用LTPoE++私有協議，使用數據線和空閑線同時傳輸電源，PD可以接受任一極性的電源，通過橋式整流電路整流，以完成電源的配置，整流橋后的SMAJ58A TVS二極管用于防止電源正、負極變化對電路的影響；0.1uf電容和24.4K(VPORT和GND內部)的特征阻抗，因為所用的基于FDMQ8203組成的整流橋，阻抗比IEEE規定的小，所以特征阻抗為24.4K,PD的控制電路如圖5所示。

接口電路采用了linear最新的LTC4275，為PD提供完整的PoE功能，兼容IEEE802.3af、IEEE802.3at在高于25.5W應用下將使用LTPoE++。

在檢測模式下，PSE在Uin上施加二個2.8～10V電壓，然后記錄響應電流，PSE隨后測量出ΔU/ΔI,確定存在25 K的特征電阻和。

在分級模式下，PSE根據PD所消耗的功率對PD 進行分級，有效的管理功率分配，如表2所示。LTC4275分級電阻兼容IEEE802.3at標準，當需要使用超過25.5W的功率時，則兼容LTPoE++自有標準，當使用的是Type 1的PSE時，在探測模式完成后，將會施加一個15.5V～20.5V的分級電壓，從而得到一個電流，完成分級；當使用Type 2 PSE可以通過硬件二級分類事件(施加二個15.5V～20.5V的分級電壓)或與數據鏈路層的高速信號線通信來分級PD，PSE則根據分級電流來區分PD所需要的功率，只要在IEEE802.3af、IEEE802.3at或者LTPoE++的范圍內，PD就會進入供電模式，分級電流則會被斷開。

表2 LTC4275分級電阻分級電流功率表

圖4 電源數據分離電路

圖5 PD接口控制電路

4 PCB layout注意事項

(1)為了防止過大的寄生電容RCLS和RCLS++盡量靠近LT4275，為了保護LT4275安裝SMAJ58A抑制輸入電壓瞬變，SMAJ58A盡量要靠近LT4275。

(2)當功率高于25.5W時需要考慮增加散熱，如加大PAD的面積，電源部分走線的加寬并單獨分層，使用特殊的外置MOSFET和電阻器和變壓器來加速散熱。

5 結語

以太網供電技術作為一種具有開放性、創新性的供電技術，改變了以往以太網設備的供電方式，面對越來越大的功率需求，802.3at協議還不足以滿足需求，在不久的將來可能會開放四對雙腳線支持供電以解決大功率供電的需求；隨著技術日漸完善，應用范圍也將越來越廣，存在的問題將不斷被解決。

本來介紹了一種兼容802.3at的25w的大功率應用，最高可達90W(linear 私有協議LTPoE++下)，為大功率以太網設計提供了一個參考，由于使用中間跨接方式，能在低成本的條件下靈活升級，該方案在產品升級中能解決很多以太網產品供電問題。

[1]IEEE 802.3at-2009.http://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html

[2]劉敬武 孫秀山 魏國勛.PoE技術簡介及應用分析[J].科技信息，2013.6:311-312.

[3]劉佳.黃華.兼容IEEE802.3af的高功率以太網供電PD端設計[J]. 現代電子技術,2008.5:160-164.

[4]于濤.陳凱.王鵬.POE在物聯網中的應用與發展趨勢.電信網技術,2011.9:76-80.

[5]David Morrison Power Chips Reach For High Power and New Features[J].Power Electronics Technology,2007(3):48-49.