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2011 精品ksdowe1PoE 日趋成熟：PoE+Christopher Gobok产品市场工程师混合信号产品部凌力尔特公司引言2003 年，针对以太网供电 (PoE) 的 IEEE 802.3af 标准为以太网开辟了一个新的应用领域，即通过以太网同时传输 DC 功率和 10/100/1000Mbps 数据。该标准规定了12.95W 的标称传输功率，对于早期接受这项新技术的应用 (包括标准 VoIP 电话、安全摄像机和无线接入点 WAP) 来说，该功率是绰绰有余的。自此之后， PoE 基础设施在业界变得十分普遍。而且，人们对于附加功能和较高功率的需求也有了显著的增长。固定安全摄像机逐渐获得了全动感视频、无线接入点能够在更远的距离上提供更高的信号强度、而 VoIP 电话则可提供视频和外设支持。为了对功能的增加提供支持，这些受电设备 (PD) 需要从 PSE (供电设备) 获取超过最初 PoE 标准规定限值的功率。人们开始考虑制定基于 IEEE 802.3af 规范的 IEEE 802.3at (亦称 PoE+) 标准，旨在适应新一波高功率应用的需求。PoE+需要进行谨慎工程设计的领域之一是将被用来实现 PSE 和 PD 相互识别的新型分级机理。伴随着这种相互识别，需具备以下能力，即：PSE 可以正确地为 802.3af (也称作 Type 1 硬件) 和 802.3at (Type 2 硬件) PD 供电；可以由 802.3at PSE 来为802.3af PD 供电；802.3at PD 可以知晓它们是否具有其较高负载所需要的完整可用功率。每种组合都需要拥有一种明确定义和一致的工作特性，以保持 802.3 标准内部的互操作性。借助一种更加精细的硬件分级机理和一种新型数据层机理，这种相互识别能力在 PoE+ 中得以实现。PoE+ 增添了一种被称为“两事件分级”的新型硬件分级，并要求 PSE 必需重复进行两次 802.3af 电压探测。PD 的每次电压探测都将导致吸收单个电流脉冲 (图 1)，这对应于一个特定的功率级。作为开始，PSE 将在数据或备用线对上确定一个约 15.5V至 20.5V 的电压脉冲。PD 以一个高达 40mA 的电流做出响应，该电流把 4 种功率等级之一传送至 PSE。双脉冲是一个发送至 PD 的指示信号，表明连接的 PSE 确实是一个高功率 PSE，能够提供与 802.3at 功率相关联的较高功率级。802.3at PD 以一个 Class 4 电流做出响应，由此向 PSE 传递这样的信息：自己是一个需要完整可用功率的高功率 PD。 802.3af 中的 Layer 1 分级方法提供了一种可任选的方法，供 PSE 向 PD 发出询问信号以确定 PD 的功率需求。然而，在 802.3at 规范中，目前指令要求 Type 2 PSE 至少应执行单事件硬件分级。2011 精品ksdowe2图 1：两事件分级和链路层发现协议除了硬件分级的升级之外，PoE+ 特别工作组还定义了一种被称为链路层发现协议(LLDP) 的新型数据层 (Layer 2) 分级，用于实现 PSE 和 PD 之间的通信。一旦建立了一条链路，PSE 和 PD 便能够采用 LLDP 来确定 PD 的功率需求。LLDP 的运用使得 PSE 能够反复询问 PD 并确定 PD 的状态及其功率需求。利用该机理，如今可以实现动态功率分配，此时，PSE 能够连续地分配功率至 PD (以 0.1W 为增量)，而且 PD可以提出请求，并随后交出功率。通过 Layer 2 进行的通信实现了用于获得诸如峰值功率、平均功率和占空比等更多信息的高级功能。随着系统朝着更“绿色” 电源环境的方向发展，这种动态功率分配肯定将成为一个重要的特点。LLDP 是一种用于 PSE的任选分级机理，但必需由 PD 来执行。如果 PSE 仅执行单事件分级，则 PD 可以通过 LLDP 协议来协商获取较高的功率。图 1 示出了 PoE+ 中所采用的这两种分级方法。有两类 PSE，即“中跨”和“端跨” 。顾名思义，亦被称为“功率注入器”的中跨控制器负责将功率注入现有的以太网电缆，并被放置于 LAN 交换器和受电设备之间。数据不做修改地通过一个中跨 PSE 进行传送。由于无需更换交换器，因此这些控制器尤其便于现有网络中的 PoE 安装。另一方面，端跨设备则是一种具内置 PoE 能力的交换器 (因而无需中跨) 。当从头开始构建一个新网络时，采用端跨 PSE。由于中跨仅可以使用电源层，因此它们运用 PoE+ 中的新型两事件分级来表达高功率能力。LLDP 使用数据层，因此端跨控制器可以选择运用这种附加分级法来与 PD 协商功率。对于 PoE 系统而言，有两个截然不同用于定义功率的位置，即：PSE 输出连接器和 PD 输入连接器。PoE+ 规范中更加重要的改进之一是将电流的上限值规定为600mA。现在， PSE 必须要能够连续提供至少 600mA 的电流和一个 50V 的最小输出电压。这转化为一个 30W 的 PSE 输出功率。电缆电阻的模型化设计值不大于 12.5，2011 精品ksdowe3因而在 PD 连接器上产生了 25.5W 的可用功率。有必要把 48V 转换效率考虑在内，这样最终传输至 PD 负载的可用功率约为 24.6W。对于较高功率的需求当然是由市场驱动的，而且，目前对于可提供超出现行12.95W 限值之功率的 PD 电源解决方案的需求已经很强烈了。眼下，有许多高耗能网络设备都提出了更高的功率要求。那么，电路设计师如何应对他如今所面临的高功率需求？解决方案是：采用由凌力尔特公司提供并符合新型 PoE+ 标准的 PSE 和 PD 产品进行设计，这些产品顺应了新标准所设定的功率限值，而且还可为专有应用提供更高的功率。PoE+ PSE目前所面临的挑战是 PSE 制造商必需将高功率 PoE+ 端口迅速投入实际应用。针对 PoE+ 标准进行现有 PSE 设计的升级需要： 能够在不增加误码率的情况下接受更多偏置电流的改进型以太网磁性元件 具较高截止电流门限的新型 PSE 控制器芯片 视所采用的控制器芯片的不同，有可能需要使用具较大安全工作区 (SOA) 的较大 MOSFET 较大的主电源 可能需要对各种各样的元件 (例如：连接器、熔断器、共模扼流圈、瞬态电压抑制器二极管、电流检测电阻器和 EMI 滤波器) 进行升级以提供较高的电流所有这些元件市面上均有供货，而且 802.3at 磁性元件和芯片常常可以简单地直接替代其 802.3af 同类产品。尽管在将 PSE 从 802.3af 过渡至 802.3at 时需要进行很多设计变更，但我们将重点关注有助于这种过渡的关键元件 PoE+ PSE 控制器。凌力尔特的 LTC4266 (见图 2) 是市面上首个完全符合 802.3at 标准的四通道 PSE控制器，而且向后兼容至广受欢迎的 802.3af 器件 LTC4259A。LTC4266 不仅为 PD 提供了新标准强制要求的功率级，而且还向后兼容最初的 PoE 标准，因而使得用户能够混合并匹配多达 4 个 PoE 和 PoE+ PD。如前文所述，为了符合 802.3at 标准，一个PSE 必须要能够在 PSE 连接器的输出端上提供 30W 的功率，这样在补偿了电缆损耗之后可向 PD 输送 25.5W 的功率。LTC4266 可提供该 30W 功率，但它是在大幅度降低热耗散的情况下做到这一点的。在设计下一代 PSE 时，应选择一个能够提供较高功率级、执行新的分级机理并提供一个能够高效输送功率的可靠 PoE 系统的 PSE 控制器，这一点很重要。LTC4266 具有极低的热耗散，因而与采用那些集成了不太坚固、且通常具有较高 RDS(ON) 的MOSFET 的 PSE 控制器所进行的设计相比，热设计得到了显著的简化。LTC4266 支2011 精品ksdowe4持使用外部 MOSFET，而且，如果某个端口由于 MOSFET 失效的原因发生故障，那么这种失效将不会产生“骨牌”效应而导致相邻通道受到牵连，而这一点恰好是采用内部MOSFET 时所担心的。LTC4266 的准确度允许采用低价值的检测电阻器，而且更加重要的是，在管理线路电流和电压时还可采用低 RDS(ON) MOSFET。阻值可以低至 0.25 (对于检测电阻器) 和 0.09 (对于 MOSFET)，因而提供了一个仅为其他 PSE 控制器一半的最大总通道电阻。因此，热耗散显著地降低了，从而使得设计师能够在未使用散热器 (如果需要的话) 的情况下轻松和可靠地使用 LTC4266。采用凌力尔特完全符合 IEEE 802.3at 标准的四通道 PSE 控制器的供电设备已经投入使用。可在每个端口上提供 30W 功率的中跨和端跨设备目前已有现货供应。对于那些不愿意劳心费力地从零开始设计的 PSE 设计师而言，由诸多供应商 (包括Molex、Tyco 和 Belfuse 公司) 提供的新型 PoETec PSE ICM (集成化连接器模块) 奉献了一款采用 LTC4266 PSE 控制器的上佳 8 端口和 12 端口直接替代型解决方案。图 2：LTC4266 四通道 PoE+ PSE 控制器和具集成开关稳压器的 LTC4269 PoE+ PD 控制器PoE+ PDPD 侧的 802.3af 至 802.3at 过渡会稍微简单一些，或者至少设计师所需考虑变更的元件较少，这是因为可能需要升级的仅有桥式整流元件、PD 控制器、DC/DC 控制器和变压器，这样 PD 负载的功率要求基本得以满足。相比于 PSE，热耗散在 PD 中并不是什么大问题，但功率效率仍然需要给予优先考虑。设计师还必须决定一个 PD 是否将能够支持来自墙上适配器的辅助电源，或是否需要对 PD 负载进行隔离。与 PSE 升级至 PoE+ 时相似， PD 设计的成功在很大程度上取决于 PoE+ PD 控制器。为了最大限度地提升 PD 的效率，必需做出某些关键的决定。对于隔离型设计，最好避免使用转换器反馈环路中常用的光耦合器。不过，最重要的决定或许是选择一个可实现这些高效率方法的灵活 PD 控制器。作为一个基准点，凌力尔特的 LTC4269 为隔离型设计提供的效率水平达到了令人难忘的 94%。LTC4269 是一款完全符合 IEEE 802.3at 标准的 PD 控制器，而且是 LTC4266 的配套器件 (见图 2)。LTC4269 是一款具有一个集成开关稳压器的全功能 PD 控制器，并具有低至 16V 的辅助电源支持能力。尽管 802.3at 标准将 PD 功率的上限值规定为2011 精品ksdowe525.5W，但 LTC4269 并未设定电流限值，且能够方便地提供 30W 以上的功率，从而造就了专有的功率级，并为实现超出 PoE+ 标准规定范围以外的 PD 功能开辟了道路。LTC4269 的可靠性通过集成一个坚固型 100V 热插拔 (Hot SwapTM) MOSFET 得到了增强，该 MOSFET 负责在检测和分级期间对 PD 控制器和 DC/DC 转换器进行隔离，并提供 100mA 的浪涌电流，以在采用任何 PSE 的情况下实现平滑的上电变换。为了优化 PD 设计，LTC4269 提供了两种版本。这两种版本之间的差异在于所使用的特殊开关电源。LTC4269-1 集成了一个同步反激式控制器，而 LTC4269-2 则集成了一个同步正激式控制器。反激式转换器提供了一种低元件数目设计，其优点是可通过简单地增加绕组来获得额外的输出，而正激式控制器则可在较高的负载电流条件下提供略优于反激式控制器的效率。在这两种场合中，同步整流均提供了较高的输出功率、提升的转换效率和改善的交叉调节性能 (在具有多个输出的应用中) 等好处。此外，在低噪声系统设计中，还可以使控制器同步至一个外部振荡器。还有一点值得注意的是，LTC4269-