低端口數PSE

　　IEEE 802.3af以太網供電(PoE)標準規定：可通過以太網線路輸送48V電壓(在高達350mA的電流條件下)。從那以后，一大批采用PoE標準的新產品相繼面市，而且，具PoE功能的以太網接口的數量達到了幾百萬之多。

　　負責提供功率的設備是供電設備(PSE)。開發中跨PSE的目的是使不具備PoE功能的老式數據裝置能夠繼續使用(將其用作現有數據線上的饋電器)。端點PSE則實現了PoE功能與諸如路由器、集線器和交換器等數據設備的集成。當PoE尚屬新事物的時候，中跨代表了那些有PoE需求、但不想更換其現有數據系統的廠商的首選PSE方案。不過，隨著PoE技術的日漸普及，端點PSE目前已成為市場上的主流產品。

　　PSE提供的功率通過以太網線路輸送至受電設備(PD)。此類設備通常主要包括IP語音通信(VoIP)電話、網絡攝像機和無線接入點(WAP)等產品。PD的應用還擴展到了更多獨特的領域，包括樂器、電池充電器和顯示系統。通過單根電纜來傳輸功率和數據在許多方面都被證明是極具價值的，包括免除了在PD上增設電源接線的需要以及創立了一個通用的電源標準。PoE在商業和工業市場上得到廣泛應用已有好幾年了，而且目前正在進入消費產品市場。

　　基于IEEE 802.3af標準的PSE控制器用于執行PD檢測、分類、端口接通、故障監視和電源斷接。它們一般都是多通道控制器，其中以四通道控制器最為常見。傳統上，這些控制器被設計在大型的12、24或48端口系統中，因而需要一個以上的IC。有些控制器能夠自主運行，但大多數應用都是采用一個微控制器來逐個執行IEEE功能。微控制器還被用于從PSE控制器讀回端口的狀態和PD類別信息。微控制器隨后對該信息進行“翻譯”，以執行諸如用戶接口和電源管理等操作。

　　對于Class 3，要求一個PSE端口輸出15.4W的功率(表1)，因此，向每個端口提供滿功率將需要一個很大的電源(即：15.4W x 24個端口 = 370W)。為了解決這一問題，IEEE 802.3af標準賦予了PD一個可選項，用于根據PD將會消耗的最大功率來為PSE提供功率級別信息。通過采用一個負責執行電源管理的微控制器，這將實現電源尺寸的縮減。

　　圖1示出了基本電源管理操作的一個例子。在設定了初始可用功率并檢測到一個PD之后，讀出該PD的功率級別。將讀出的功率級別與可用功率進行比較。如果有足夠的功率供PD之用，則接通端口，并從可用功率中抽取所需的功率。當PD斷接時，端口被關斷，抽取的功率將被加回到可用功率中。

　　通過始終監視按照PD的功率級別而在每個端口上分配的功率，即可根據剩余功率來確定其是否足以為更多的PD供電。如果某個端口發生故障或者剩余功率不足，則阻止PD執行上電操作，該狀態信息可通過一個用戶接口(如果有的話)讀回。

　　單端口PSE控制器

　　多通道控制器適用于大型多端口設備，不過，有許多應用只需要具有PoE功能的單端口或低端口數PSE。對于這些應用而言，通常僅采用多通道控制器當中的一個，而未用通道則被浮置。PSE控制器的領先供應商凌力爾特公司推出了LTC4263，這是一款面向此類應用的自主型單通道PSE控制器(圖2)。

　　LTC4263提供了完全符合IEEE 802.3af標準的PD檢測、分類、端口接通、故障監視以及AC或DC斷接檢測功能。此外，一個高效LED驅動器還負責通過單個LED為用戶提供端口狀態信息，以指示端口接通或故障?？蛇x項包括一個中跨延時定時器、老式設備檢測以及通過將其各自的引腳連接至VSS或VDD5來設定的功率級別提升。LTC4263的一個獨特之處是其簡單的電源管理功能，在多端口應用中，可利用一個在多個LTC4263上工作的RC網絡對該功能進行編程。如欲采用模擬方法來執行上述電源管理功能，則可通過多個LTC4263所共用的一個PWRMGT引腳來完成。LTC4263的關鍵優勢在于其無需微控制器干預的獨立型運作能力。

　　除了免除了微控制器及其外圍元件以外，LTC4263還具有一個用于正確開關負電源軌的板載功率MOSFET，以及一個內置AC斷接信號和數字電源。圖2示出了一款與LTC4263配合操作且元件數目極少的電路。接入了一個隔離型48V電源，并由它向LTC4263輸送功率。旁路電容器被布設在輸入電源引腳VDD48以及5V內部生成電源(在VDD5上引出)上。輸出線(48V正電源軌和開關負電源軌)外接至RJ45端口線路。如果通過數據線對，則這些輸出線將被連接至以太網變壓器的中心抽頭。否則它們將直接連接至空閑線對。一個58V瞬態電壓抑制器(TVS)和一個0.1mF電容器有助于防止在端口上出現電壓瞬變、過壓和反向電壓。還可以采用一個可選的1A熔絲來滿足安全性要求。這款低元件數解決方案實現了小于單個RJ45連接器的布局面積。與多通道PSE相比，單端口PSE在布局上的另一個優點是元器件的排版。可以把各個控制器電路布設在以太網端口的后面或附近，而不是經由很長的印制線會合于共用的控制器。還可以把一個58V TVS放置在其設計用于保護的控制器的近旁。簡化的布局還有助于滿足IEEE 802.3af標準當中所提及的隔離要求，這一點在PSE設計中有時會被忽視。

　　把控制器和MOSFET分散至各個端口還有利于改善PSE的熱性能。元件之間的間隔提供了優于多通道控制器解決方案(這里，電源路徑彼此靠近)的熱管理性能。當PSE被封閉于一個致密空間(例如：一個集成RJ45連接器)當當中的時候，改善效果最為明顯。

　　其他可選項(圖2中未示出)是LED連接和AC斷接。一個具有電流設定電阻器的LED與LED引腳相連。LED驅動器還能夠起一個開關電流源的作用(以提高功率效率)，只需增設一個電感器和二極管。在需要用AC斷接代替DC斷接的應用中，只需利用OSC引腳上的一個電容器(負責設定內部振蕩器頻率)、ACOUT引腳上的一個RC網絡(用于把AC信號加至端口)、和一個位于負電源路徑中的AC隔離二極管，即可改變LTC4263的配置。

　　墻上適配器PSE

　　便攜式設備具有不同的電壓和功率要求。具PoE功能的設備(PD)內置了其特有的DC/DC轉換電路，因而并不依賴于和電壓合適的墻上適配器相連。當揣著這樣的設備外出旅行時，就不再需要攜帶墻上適配器了；只需要一根以太網電纜。然而，在無法使用PoE但又需要為諸如電池充電器等裝置供電的場合，一個簡單的墻上適配器PSE可以很方便地插入壁裝電源插座中，以把PoE功率輸出至PD。這樣的裝置可以直接插入墻上插座。功率通過一個AC/DC轉換器來提供PoE電源。這種簡單的裝置不需要具備任何智能，只需提供功率就可以了。LTC4263將提供PSE控制功能，從而實現了PD的安全檢測和上電。如果有一個非PoE裝置與該墻上適配器相連，則用戶還能夠從一個由LTC4263驅動的LED讀出基本的故障信息。如果在一個墻上適配器上需要不止一個端口，則可采用多個LTC4263來實現一個PoE墻上適配器擴展器。電源管理功能可由LTC4263來提供，并根據電源的功率限值來設定。這將限制那些被加電及具有特定功率級別的端口數量。圖3示出了一款針對30W的PD上電可用功率而配置的三端口墻上適配器。只要未超過設定的可用功率，則PD功率級別的各種組合都可以完成上電操作。例如：如果一個Class 3 PD首先上電，則分配給受電設備的15.4W功率將剩下足以為滿足Class 1或2 PD所需的功率。

　　在多端口解決方案中，各端口的操作是相互獨立的(電源管理除外)。在端口需要彼此隔離的場合，這也是有用的。此時，各端口將擁有其自身的隔離電源，且電源管理功能將不被采用。

　　不必對墻上適配器PSE的功率加以限制。這種設備可以永久地安裝在墻內，并從一個老式(非PoE)交換器連接至一根以太網數據線，且可穿越墻壁。這樣，插入墻上端口中的PD便能夠同時接收數據和功率。墻上適配器可以具有一個分配地址。在發生緊急情況時(從一個與該位置相連的VoIP電話發來呼叫)，這提供了幫助信息。一個應急反應小組將立即獲知呼叫發出的位置。

　　PoE功率輸送器

　　低功率Class 1 VoIP電話的功耗小于3.84W。然而，如果針對一個Class 3 PD進行配置，則PD輸入端上的最大功率將達12.95W。PSE將為設備保存完整的端口功率，從而在PD上留下了接近9W的未用功率。該未用功率可被用來增添額外的電話功能(比如：用于電視會議的攝像機)。這里，LTC4263在電話中被用作一個至擴展設備的功率輸送器(圖4)。

　　一開始，PSE通過PD接口控制器(在圖4中和LTC4257-1一起示出)對設備進行檢測、分類和上電。PD是針對Class 3進行設定的，并在RCLASS上布設了一個電阻器。功率用于電話，剩余的功率通過一個DC/DC轉換器來使電壓回升至正確的PSE輸出電壓(壓降是由于電纜損耗和接口引起的)。由該新電壓加電的LTC4263負責提供擴展設備的檢測和安全上電。至攝像機的功率被加在空閑線對上，而數據則將通過位于數據線對上的以太網變壓器。

　　由于可供新增設備使用的功率不到9W，因此功率輸送器PSE只擁有適合Class 1(4W)或Class 2(7W)設備所需的足夠功率。于是，針對8W功率來設定LTC4263的電源管理功能(通過調整PWRMGT引腳上的電阻器阻值來實現)。這允許上述兩類PD當中的任一種接通，而Class 3(15.4W)為拒絕功率。擴展設備的設計必須滿足Class 1或Class 2功率要求。當其級別提升電路被啟用時，如果PD違犯了其功率級別，則LTC4263將取消擴展設備的供電。功率輸送器設備本身必須確保其功率未超過與Class 1 PD相當的級別。如欲保持接通狀態，則總功率(功率輸送器設備功率與擴展設備功率之和)一定不得超過Class 3 PD的功率級別。

　　高功率解決方案

　　對于許多PD應用來說，13W的功率級別可以滿足要求。不過，對具有更高功率的設備的需求正悄然興起。具附加無線電收發裝置的無線接入點有可能使用18W或更高的功率。具有左右、上下、及鏡頭推進／拉遠功能(PTZ)的攝像機的功耗可達60W。在這些場合中，PoE PD 13W的功率限值是無法滿足需要的。這種謹慎穩妥的功率級最初是針對標準而選擇的，但是，許多與以太網線路相連的設備對更高功率的需求卻正在呈現一種不斷攀升的勢頭。

　　IEEE已經成立了一個委員會，專門負責定義一種新的高功率PoE標準。與此同時，高功率PoE已經開始在準標準系統中推行。LTC4263-1是在LTC4263的基礎上派生出的一款高功率版本，業已在高功率準標準解決方案中投入使用。這款新型PSE控制器可提供與LTC4263相同的PD檢測以及端口上電和斷電功能，但其電流限值超過了IEEE 802.3af標準中的設定值，從而使得兩個線對上的端口功率幾乎增加了一倍。標準是為適應當時的以太網產品而定義的。但是，隨著電流的提高，人們還必須留意那些與電源路徑相連的設備。以太網變壓器就是一個例子。必須采用一個特殊的變壓器，它不僅能夠應對較高的功率，而且還能解決電源線路中的任何失衡問題。

　　圖5示出了一個千兆位以太網系統中的高功率PSE、4線對可選項。在第一組數據線對上，LTC4263-1負責控制輸送至一個高功率PD的功率。在另一端，一個高功率PD接口控制器(LTC4264)負責接收功率并將其傳送至一個DC/DC轉換器。針對更高功率的一個可選項是：在第二組數據線對上增設一個LTC4263-1，并在接收端上增設一個自帶DC/DC轉換器的LTC4264。兩個DC/DC轉換器隨后進行求和運算，提供了電流平衡作用，以補償變壓器、電纜和連接線之間的電阻差異、以及二極管的壓降差。新型產品將繼續涌現，以實現高功率PoE和標準的電源技術。