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用於乙太網路供電設備的單晶片PoE控制器

上網時間: 2007年02月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:乙太網路供電  POE  IEEE802.3af 

乙太網路供電(POE)是一項使用區域網路同時傳輸電源和數據的技術。POE技術能在現有的五類纜線、超五類纜線和六類纜線網路上安全可靠地傳輸功率高達15W的48V電源,特別適合通訊應用。它可為13W的受電設備(PD),如IP電話、WLAN接取點、網路相機和其他各類網路終端供電。乙太網路供電也稱為區域網路供電,主要基於IEEE802.3af標準。

能夠在現有標準五類纜線網路方便地使用,無需改進和破壞現有的乙太網路基礎,是網路乙太網路供電設備掘起的主要因素。

PoE有很多優點,例如只需在設備上使用一條纜線,可簡化安裝並節省空間。透過採用支援網路的不斷電系統(UPS),PoE能在停電期間保持正常運作。

另外,採用PoE的設備無需再位電源佈線付出昂貴的安裝費,或由於電源佈線導致安裝的延遲,可同時節省時間與成本。這意味著設備可以方便地移動到能夠佈設LAN的任何地方。由於在工作範圍內的任何地點均無需舖設電線,也進一步增加了安全性。

用戶可使用SNMP(簡單網路管理協議)網路基礎設備來監控和控制設備,以及進出設備的數據傳輸。因此,可利用中央管理方式對設備進行遠端管理、關機或重啟。

IEEE802.3af標準概述

先進的乙太網路與傳統電話網路在很多方面都相同。它們通常都是在非屏蔽的雙絞線上傳輸數據和語音,且通常採用星形網路。

然而,兩者的差別在於傳統電話由傳送數據或語音的同一根纜線來供電,乙太網路設備卻需要一個本地電源。不過,IEEE802.3af標準改寫了乙太網路的應用方式,它允許中央電源透過RJ-45連接器提供48V DC,功率可達13W。透過乙太網路路,802.3af解決了為設備供電的所有問題。

簡單來說,該標準定義了兩個可選的電源實體功能特性和電氣特性。一個是乙太網路受電設備,另一個則是供電設備(PSE)。該標準規範了這兩種設備如何利用與數據傳輸相同的普通電纜提供與接收電源。

DTE供電的目的是為10BASE-T、100BASE-TX或1000BASE-T設備提供單介面,同時提供所需的數據,以及數據處理所需的電源。不過,隨著透過乙太網路供電的需求日益成長,許多大功率設備也希望採用這種技術,因此,目前相關標準制定單位已開始討論30W功率傳輸的方案。

圖1:支援PoE功能的終端設備直接連接到交換機上。
圖1:支援PoE功能的終端設備直接連接到交換機上。

圖2:支援PoE功能的終端設備連接到中跨設備上。
圖2:支援PoE功能的終端設備連接到中跨設備上。

圖3:單埠PSE和PD結構圖。
圖3:單埠PSE和PD結構圖。

圖4:分別利用電纜中的數據線路和空餘線路來傳輸電源。
圖4:分別利用電纜中的數據線路和空餘線路來傳輸電源。

圖5:利用中跨方式將電源插入到網路中。
圖5:利用中跨方式將電源插入到網路中。

圖6:實現認證簽名之電阻值的有效區域。
圖6:實現認證簽名之電阻值的有效區域。

圖7:乙太網路設備的簽名檢測和分級電壓。
圖7:乙太網路設備的簽名檢測和分級電壓。

圖8:乙太網路設備的分級電路和等級。
圖8:乙太網路設備的分級電路和等級。

IEEE802.3af規格

為滿足IEEE802.3af標準,供電設備輸出電壓應介於44V~57V之間,在正常情況下最大輸出電流為350Ma,連續輸出功率為15.4W。對乙太網路受電設備而言,輸入電壓須介於37~57V之間。正確來說,受電設備平均輸入功率為12.95W,輸入峰值電流為400mA。

PoE架構類型

PoE標準定義了兩種典型的實現方案。第一種是端點設備(End Point),適用於POE交換機。應注意這種端點應用設備主要應用在交換機上,而電源則來自交換機。另一種應用方案稱為‘中跨’(Mid Span)設備。中誇設備能讓設計師或用戶在交換機和端點設備間的某個位置插入電源,即中跨設備有一個埠,可將電源插入到網路中,使連接到該中跨設備上的受電設備能獲取電源。

一個簡單的單埠POE系統結構包括一個供電設備,這可以一個集線器或是交換機;終端部份的受電設備則可以是IP電話或網路攝影機等裝置。PSE可透過五類電纜中的數據線路或多餘的線路提供電源,並饋送到受電設備端。在傳送至電源元件(如飛思卡爾MCZ34670前),設計師人員會透過一個中心抽頭變壓器來擷取該電源。

端點與中跨PSE應用

端點PSE應用有兩種選項;即如圖所示的A或B。A架構採用區域網五類纜線的數據線路對來傳輸電源。在802.3af中,供電是利用鏈路兩端發射和接收變壓器的次級線圈中心抽頭來實現的。在B方案中,如下圖所示,它採用是空餘線路,工程師可以簡單地在這些空餘線路上傳輸電源。

整體而言,有兩種方法可插入和擷取電源。一種是利用數據線,即將電源層疊在數據線路上進行傳輸。另一種是利用空餘的線路直接傳輸電源。

中跨配置能在乙太網路之外設置電源,在分段連接的雙絞線路對上同時提供數據和電源,當需要提供電源時,這種配置不會加重乙太網路設備埠的負擔。於是,在不需要更換交換機和集線器的條件下,中跨PSE可為舊型系統實現PoE方案。

由於目前的標準只能支援4對線路中的兩對傳送電源。因此,針對終端應用可採用數據線路對,也可以採用空閒的線路對;但該標準同時規定,針對中跨應用,PSE只能採用五類纜線的空閒線路對。如圖所示,右側的設備利用空閒線路對從PSE上擷取電源。

如何使用PSE和PD

檢測PoE設備並為其供電,是指PSE電源必須在PoE設備和非PoE設備之間進行識別或區分,以避免為非PoE設備、不需要或不想被供電的設備供電。出於安全考量,不應為不相容於PoE的設備供電。

為確保PoE系統的安全和可靠工作,IEEE802.af標準要求利用測試電壓來確認是否為乙太網路設備供電。該測試電壓被用來確定PD的負載特性。PD的負載特性稱為PD檢測簽名(signature)。PSE讀取PD檢測簽名以確定是否供電並提供多高的電壓。若檢測後PSE確認這是一台乙太網路設備,將會發出:“嗨,你是乙太網路設備,我將為你供電”的訊息。若在設備端或客戶端看不到簽名訊號,就不會為設備供電。

PSE的重要功能是識別能夠接受功率的PD,並提供所需的電源電壓,同時在PD離開網路時關掉電源。

簽名檢測

PSE如何辨識有效的簽名呢?事實上,有效檢測就是乙太網路設備上的電阻阻抗檢測。檢測阻抗僅需要一個電阻,其電阻值為23.75~26.25kΩ。採用的電阻被稱為Rsig,連接到設備的Rsig端上。該電阻吸收與有效阻抗所要求值相近的電流,以使損耗降到最小。從圖中可看到,該電阻的容差要求很嚴,阻值為23.75~26.25kΩ。另外還必須要考慮二極體的串聯電阻。

為瞭解標準的電源介面,連接到乙太網路板上的乙太網路設備要通過一系列的標準相容性檢查,否則將不會為其供電。為了使PSE為乙太網路設備供電,如圖左側所示,必須瞭解PSE和乙太網路設備的握手協議及工作原理。

開始時,電源端提供的電壓為2~10V。該電壓饋入乙太網路設備,且該電壓範圍足以從額定阻值為25kΩ的電阻上檢測有效的簽名。該電壓檢測到簽名後,就將電壓增加到15~20V。其目的是測量所需的電壓值等級。關於這一點將在後面討論。

成功檢測到簽名後會進行分級,然後再把電壓增加到正常工作所需的數值。由於主要應用於通訊設備,故為48V,該電壓的正常範圍為37~57V。右邊所示為在提供電壓前PSE所需的不同核准等級。

PD分級

IEEE標準為PSE提供了針對PD進行的最佳分級。目的是為PSE的電源分配提供更有效的方法。

PD的分級依次為0級、1級、2級和3級;0級的默認值為0.44到略低於13W;1級為0.44~3.84W,2級和3級分別為3.84~6.49W和6.49~13W。現在看一下分級電路。該分級電路是PD能確定分類或所需電壓等級的方法。這就是需要PSE提供電源的交換機上有許多埠的原因。

這是如何實現的呢?在左側有一個電路,能在分級階段產生一個?定電流。如MCZ34670產生一個?定電壓,該電壓被送到外接分級電阻R的RCLA輸出端上。人們可根據具有分級電組的PD等級來設定電流。PD分級規定見表中的右側部份。以下公式可進行簡單計算,即R=V/I,例如,1級為10.5mA,所需的電阻值為475Ω。

MCZ34670 PD設備

以下將以飛思卡爾公司的MCZ34670 PD元件為例進行討論。MCZ34670是一顆電源管理IC,能為PoE應用提供電源分配功能。MCZ34670可用於無線接取點、網路相機和IP電話,內含與IEEE標準相容的電源元件,以及一個PWA調變控制器,該調變控制器提供實現PoE所需的電流模式開關調節器。

圖9是用於PD的MCZ34670功能結構圖。除提供上述PoE介面外,MCZ34670還提供欠壓閉鎖、過壓保護及衝擊電流限制。另外,還提供在危險條件下切斷電源的隔離開關。為了實現電源轉換,板上PWM控制器提供了一個高效的DC-DC轉換。


圖9:MCZ34670的系統功能架構。

MCZ34670的PD介面完全符合IEEE的802.3af標準要求,還能與不符合IEEE 802.3af中相關衝擊電流要求的傳統PoE-PSE進行通訊。

欠壓閉鎖是必要功能,因為LAN電纜通常長達幾百英呎,當擷取的功率為最大值時,在電纜上將引起從幾V到210V的電壓降。DC-DC轉換必須確保PD的電壓足夠高,至少是42V,才能保證在電纜擷取電流時電源電壓不會降到低於34V的最低工作電壓。如此可避免PD中的DC-DC轉換器啟動後又切斷,或在剛加電時反覆開關。

MCZ34670元件包含兩部份,PD介面和符合PoE的介面。內含簽名檢測和分級功能,一個用於隔離電源的整合隔離開關、可編程衝擊電流限制、可調節欠壓閉鎖電路,該電路可工作於高達80V電壓下,遠高於PoE中所要求的57V。

內含的PWM控制器無需輔助線圈,採用能夠提供快速響應和良好穩定性的電流模式,振盪頻率可調節,還提供用來改善電源系統噪音穩定度的前端消隱技術,以及斜率補償電路和過壓保護電路。

圖10為MC34670的典型應用。該圖顯示了一個隔離反馳式轉換器的應用,它為外部開關M1的閘級驅動提供了電源電壓。

圖10:MCZ34670的典型應用圖。
圖10:MCZ34670的典型應用圖。

MCZ34670支援各種配置和設置。圖中用紅色虛線標出了各個結構及其功能。位於圖左的是二極體橋,然後是執行分級設置和欠壓閉鎖設置的兩個電阻。圖右是一個反馳變壓器,還有一個用於隔離的光耦合器。

由於該圖結構採用加電配置,元件開關會切換到高電流端,假設另一端存在PSE,將使PD能夠吸取12.95W的功率。

反馳式轉換器的優點是能使設計更靈活與強韌。該技術對多工輸出電源頗具吸引力,因為線路和負載調節都比其競爭技術─正向拓樸技術要好得多。反馳式轉換器還被廣泛用於輸出功率從150W至5W的應用,且不需要正向轉換器必須採用的次級輸出導線(output conductor),進一步降低了成本。

圖11:MCZ34670隔離前向拓樸結構示意圖。
圖11:MCZ34670隔離前向拓樸結構示意圖。

現在來探討隔離正向拓樸應用。它與反馳式技術的不同點在於,其變壓器線圈的次級多用了一個二極體和一個電感。這意味著成本的增加,不過效率要高一些。所有其他的零組件,包括分級、簽名、電流限制和電壓閉鎖電路等均相同。

值得注意的是該結構增加了一個輔助線圈。它被用來為閘驅動供電,正向驅動總共需要四個線圈。

圖12:MCZ34670在不同階段沒有偏置繞組的變壓器效率。
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圖12:MCZ34670在不同階段沒有偏置繞組的變壓器效率。

圖12顯示了不同階段沒有偏置繞組的變壓器效率。該效率與可攜式系統中的效率相較略低一點,低於90%,不過根據標準要求來看,該效率已是非常不錯的指標,且非常具競爭性。人們也許強調在可攜式設備中,效率都高達95%左右,但必須注意的是,取得95%效率的前提是必須採用功率節省技術,如極點跳躍技術(pole skipping)等。但對於通訊應用,若效率高於80%就已經是不錯的指標了。飛思卡爾採用偏置繞組對該元件進行的測試顯示,其效率已接近90%。

作者:Norman Chan

標準產品集團行銷經理

飛思卡爾公司




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