1、 以太网供电（PoE ）的 IEEE 802.3af 标准说明了通过以太网的 CAT-5 电缆如何分配高达 12.95W 的功率，使得网络设备能够在不采用 AC 电源线下运作。该标准确立了一个独立于以太网数据传输的 DC 电源分配网络运作，它与现有的（10 Base-T、100 Base-TX 和 1000 Base-T）以及未来的以太网数据标准兼容。802.3af 电源通过供电设备（PSE ）来提供，该设备管理电源并区分需要电源的受电设备（PD）与单纯的数据设备。由于 PSE 的检测方法可以做这个区分，用户就可以在现有网络上采用以太网供电，而不会毁坏仅用于数据传输的以太网设备。802.3af
2、 的目的是推动一种新型的以太网设备（PD），它不需 AC 线电源来运作。PD 为终端用户提供了巨大的好处，使用户无需 AC 插座和从位于中心的不间断电源（UPS）吸取功率就可获得电源。不用 AC 电源转换电路，PD 需要一个符合 802.3af 的以太网供电接口和一个 DC/DC 转换器。针对 802.3af 网络接口的集成电路简化了它们的实现，在缩短设计时间的同时，还有助于兼容802.3af。集成电路不能解决以太网供电所有的问题，有一些必须在主板和系统层面来解决。此外，没有一个解决方案能够适合每一个人。设计师需要有自由度，能够在确保互操作的情况下为各自的应用设计相应的解决方案。为了帮助设计师
3、们更好地了解应用、802.3af 标准和互操作等方面的要求，本文列举出 PD设计必须解决的很多问题，并通过一个电路例子来说明可能的解决方案。图 1，图 3 中所示 PD 例子的 I 蠽曲线。阴影部分是监测、分级和通电的 IEEE 限制以及作者所建议的限制。PD 的大部分 IEEE 802.3af 标准是对 PD 的 I-V 曲线进行描述（如图 1）。该曲线被分割成三个不同作用的电压范围：2.7V 至 10.1V 的检测、14.5V 至 20.5V 的分级、电源接通/关断以及从 30V 至 57V 的供电。在这些范围内的 PD 表现受 IEEE 标准管理，但是这些范围之间的转换对互操作来说是同等
4、重要的。PSE 进入到检测领域以区分 25k 电阻的 PD 与 150 共模终端不需要供电的设备。在分级范围内，PD 的电流符合所需的功率大小。当其输入或端口电压超过 30V时，PD 开始从电缆中吸收电源，以维持其余电路的运行。在多数的 PD 中，从以太网端口的48V 输入通过 DC/DC 转换至类似 3.3V 或 2.5V 的电压，以配合 PD 电路的要求。图 2 与 图 3 阐释了能够处理 PD 整个 PoE 接口的电路，其中包括 DC/DC 转换。在这样的划分下，以太网供电结构成为自供电应用，使 PD 设计师能够集中精力在电路和软件上，以设计出与众不同的 PD。连接电缆PD 的以太网供电
5、接口和以太网数据接口或者 PHY 都必须连接到 RJ-45 以太网插口上。图2 示意了一个理想的完成这些连接的方法。75 共模终端电阻是 AC 耦合的，所以与 PoE 不会冲突。终端连接在共模扼流圈的电缆一侧，使得扼流圈的电感以及高 AC 阻抗不会影响终端的阻抗。图 2 和图 3 中较粗线说明了 PoE 高达 400mA 的 DC 电流流动位置。这些路径上连线和电路板迹线需要特别注意保持低的电阻。在电路板上采用宽的迹线并将组件紧凑地安装在一起以缩短迹线的长度。在磁性器件（T1 T6）中，控制线电阻以确保 DC 电流不会让 T5 或 T6 饱和以及阻碍数据传输显得特别重要。自耦变压器 T1 和
6、T2 的绕线必须使得从中心抽头起它们的两条线有相同的电阻。即使当 T1 和 T2 的绕线准确，电缆电阻还会导致一些 DC 差分电压。通过T1 和 T2 的电阻比扼流圈 T3、T4 以及数据变压器 T5 和 T6 要低，磁性使生成的电流经过 T1 或T2。这在图 2 中进行了阐述，较宽的线条代表低电阻电线。将 PD 连接到备份线对上要简单得多，因为这些电线不会传输数据，如图 2 所示，所以不需要磁性器件。（对千兆位以太网而言，它们把数据放在备份线对上，可以用相同的磁性器件进行连接，就像图 2 中的数据线对一样。）图 2，举例说明从以太网电缆接收 PoE 电源和 10/100 数据的磁性器件。CT
7、1-CT4 接线连接至图3 所示电路的输入端。一旦电源和数据通过磁性器件从电缆中抽取出来，不论是从备份线对还是数据线对看，PD 都是一样的。实际上，PD 的 I-V 曲线对两个电压极性和两个线对都是一样的。图 3 中的一对二极管电桥（D1 - D8）将两对的讯号结合成一个单极输出，使一个符合 802.3af 标准的 PD 接口（由图3 中的 LTC4267 控制）能够为两对输入和两种极性服务。图 3，802.3af 标准的 PoE 接口和 DC/DC 转换器的原理图。由于振铃、过冲瞬变、静电以及地电位差异等等会给电缆施加数百或数千伏特的电压，因此除了二极管电桥之外，图 2 还具有一个用于对 P
8、D 的输入提供保护的瞬态电压抑制器（TVS）。因线缆有可达 0.05 礔及低串联电感和电阻，这些电压的能量可以很达到很大。瞬态电压抑制器可以吸收这些能量的大部分，但是 PoE 接口的其余部分必须特别设计以为能够经受住在运行范围之外的 20V 至 30V，直到 TVS 对电压进行限制为止。检测在建立以太网供电连接时，检测是第一步，而且是最重要的一步。一个 PD 有 25k 的共模电阻，而多数非供电设备具有 150 共模终端。在 2.7V 至 10.1V 之间，PD 必须有一个 25 1.25k 的检测特征电阻。除了电阻器本身（与 LTC4267 包括在图 3）外，这些二极管电桥是PD 的 25k
9、 检测特征最重要的因素。二极管的前向电压为特征增加偏移电压，标准要求低于1.9V（对-40温度下的硅二极管足够）。这些二级管的非线性串联电阻会影响这些特征，如图4 所示。反向偏置电桥二极管增加漏电，所以使两个并联的二极管的漏电必须低于 IEEE 规定的10.1V 反向偏置下的 10 礎限制。LTC4267 通过集成和优化特征电阻解决了很多这些问题，如图4 所示，从而弥补了二极管电桥及其本身电流的问题，为设计师解决了后顾之忧。 图 4，监测 I-V 曲线说明二极管电阻在 PD 检测特征方面的作用。分级成功检测之后，大部分 PSE 将 PD 分级来决定消耗多少电量。 分级能够提高 PSE 的电源管
10、理，使之在同样瓦数的电源条件下能够为更多 PD 提供电源。例如，9 个消耗 5W 但是被称为分级 0 的 PD 能够达到 150W 电源能力的最大值，因为 PSE 必须将 15.4W 分配给每一个分级 0 的PD。如果同样的 PD 用作分级 2，PSE 分配 7W 给它们，它的 150W 能够提供给 21 个 PD。所以要选择最大持续功率和峰电流比 PD 要低的最低分级（1、2 或 3），从表 1 为您的 PD 选择适合的类别。表 1: IEEE 802.3af PD 分级。符合的 PD 在 14.5V 至 20.5V 之间具有适当的分级电流，而且当接通电源时保持不超过最大功率和峰值电流。注意
11、 PD 分级 0 和分级 4 没有显示出来而且不应采用。进行分级通常由 PSE 强迫端口电压符合分级范围并测量 PD 的电流。在分级的整个领域，PD 的电流必须在表 1 所示的 3 个范围中的一个之内。尽管 802.af 标准在检测和分级间放置超过5V 的电压，但是大部分还是被二极管前向电压（VF）的温度变异所消耗。温度高时，二极管的 VF 在 0.5V 左右，温度低时，二极管 VF 在 0.9V 左右，所以 LTC4267 必须在仅超过 3V 左右从检测切换至分级。在这个范围之外，LTC4267 会尽量达到最大的互操作性，通过缓慢地导通分级电流，请注意图 1 所示典型的 I-V 曲线的斜率。
12、从 0mA 到高至 30mA 的改变可能会导致端口电压下降至分级范围以下，所以 PD 关掉分级电流，这样就会出现振荡。即使是采用 PSE 的稳定电压，PD 电流与 100 米电缆电感的快速变化也会产生振荡。高于 20.5V 时切断分级电流的负电阻会引起更严重的振荡和互操作方面的问题。为了实现最大的互操作，PD 应该具有平滑、单调的 I-V 曲线，如图 1 所示。接通电源当 PD 接通并开始从电缆中获得电源时，PD 设计变得更加复杂，因为以太网供电接口、DC/DC 转换器和其它 PD 电路必须一起工作，以保持符合 802.3af。LTC4267 包括该组合的两个最重要的成员，这就是 PoE 接口
13、和 DC/DC 转换器，因此是说明这些原则的一个非常好的例子。LTC4267 等到输入达到 36V 时才开始吸取电源并限制涌入电流在 140mA 以下（如图 1）。通过等到 36V，LTC4267 在接通（36V）和切断（30V ）电压之间有 6V 的迟滞。由于 LTC4267升高的 140mA 电流和高至 20 的电缆电阻，这个迟滞防止在端口电压下降时（ 2.8V = 20 140mA）LTC4267 不至于在开或关之间振荡。一旦安装 LTC4267 的 PD 后接通电源，LTC4267 切换至 375mA 电流限制，允许 PD 从电缆获得分级 3 电源全部 12.95W。具有更高涌入电流限
14、制的PD 需要更大的迟滞，802.3af 允许高达 12V 以防止振荡。只要能够在 PSE 的 400mA 至 450mA 电流限制下，在 50ms 之内接通电源，PD 并不要求实施自己的电流限制。没有自己限制电流或在 50ms 内通电的 PD 将关断它们的电源。像 LTC4267这样的 PD 控制器集成电路采用电流限制和另外一个称作“电源良好（power good）”的特性，以确保 PD 正确地通电。控制器的电源良好输出将 PD 的其它电路切断直到 CIN 充电到端口电压。图 3 对此进行了说明，LTC4267 的 PWRGD 引脚阻止其 DC/DC 转换器的运作，直到 VPORTN和 PO
15、UT 之间不足 1.5V。采用电源良好特性对 DC/DC 转换器是非常重要，因为当输入电压下降时，提供恒定输出功率的转换器会吸取更多的功率。如果转换器在低压时启动，其高电流会缓慢下来或甚至阻止 CIN 充电。因此，电源良好或其它延缓 DC/DC 转换器启动的方法对 PD 的成功通电顺序是非常关键。受电一旦超过 50ms 的启动时间，PD 的 CIN 应该充电到 VPORT（不足二极管电桥的 2 VF），PD 的功率消耗也必须低于其分级所分配到的最大值（见表 1）。PD 还必须通过维持功率特征（MPS）发送持续工作信号。如果没有 MPS，PSE 将切断电源，阻止一个受电电缆接入不能通电的以太网设
16、备。MPS 是 一个 10mA 或更大的 DC 电流，阻抗低于 26.35k，与超过 0.05 礔电容并联。非常少的 PD 需要特殊的电路来提供 MPS。在很多情况下，CIN 、DC/DC 转换器的阻抗和 PD 正常运行使用的电流都满足 802.3af MPS 要求。诸如自动调温器等其功耗会在应用中引发问题的低功率 PD 被允许将其 MPS 电流脉动至 10mA 以上达 75ms，并使脉冲之间的最大间隔达到 250ms，从而把功耗降至 100mW 左右。像 MPS 一样，很多情况下保持在分级限制之内是通过 PD 的 DC/DC 转换器及从该转换器获得电源的电路来实现。设计师必须确保 PD 电路
17、使用的功率低于在图 3 级别的功率。负载电路不能消耗 12.95W，因为功率在以太网供电接口（通常是二极管电桥）和 DC/DC 转换器中损失了。采用低漏电的肖特基二极管能够在二极管电桥中降低 0.5W = 2 0.7V 350mA 损耗。在图3 中，LTC4267 的以太网供电接口消耗不足 180mW，而布设于 VPORTN 和 POUT 之间的 1.6 RON MOSFET 会产生 200mW 的功耗，剩下 12.07W = 12.95W 0.50W 0.18W 0.20W。这 12W 中有多少 PD 电路能利用要看 DC/DC 转换器的效率。DC/DC 转换器的运作和用以提高效率的电路技术
18、在本文不会作叙述，读者可参考教科书以及转换器制造商所提供的应用指南。隔离在图 3 的 DC/DC 转换器最重要的方面是输入与输出之间的隔离。大部分 PD 需要隔离的DC/DC 转换器，因为 802.3af 标准要求以太网插口的引脚要与其它 PD 外部的导电部件分隔。一个隔离式 DC/DC 转换器就可满足这个要求， PD 的其它电路可以被设计成无需隔离。实例图 3 中的电路提供了一个以满足 802.3af 要求的 PD 以太网供电接口和隔离 DC/DC 转换器例子。但图 3 不是唯一可以满足这些要求的方法。采用更简单的 PD 可以避免集成电路和使用分立组件，而其它方法可能会增加图 3 的复杂性，以及提供更多功率给 PD 电路。不论设计师选择何种电路满足 802.3af 要求，需要小心考虑本文所讨论的 PD 设计挑战。当 PD 设计师自己解决这些难题时，图 3 电路所采取的方法为他们提供了一种可以借鉴的成功范例 。
