以太网供电技术及受电端电路设计

邓石梅 龙沪强

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

传统的基于网络的产品，如IP电话机、IP摄像机等一般至少需要2个接口:一个是电源接口，产品通过此接口接收外部电源输入，从而使产品能正常工作;另一个是以太网接口，用于产品与外界产品的通信［1］。由于该类产品需要额外的电源输入，为产品的使用带来不便［2］。

IEEE标准理事会发布了IEEE 802.3af这一国际标准，它是现有以太网标准的扩展标准。IEEE 802.3af定义了以太网供电(power over Ethernet，PoE)的技术指标，它使产品直接使用以太网接口接收外部电源成为可能。

为了解决具有以太网接口的小型功率设备供电不便的问题，本文在分别分析IEEE 802.3af标准中的以太网供电系统构成、以太网供电传输方式、以太网供电过程及其他电气特性的基础上，提出了一种可以通过以太网来获取电源的解决方案。

1 以太网供电技术原理

1.1 以太网供电系统构成

一个完整的以太网供电系统由提供电力的供电设备端(power sourcing equipment，PSE)和使用电力的受电设备端(powered device，PD)这2部分组成。两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电设备端的连接状况、设备类型和功耗等级等信息的通信。供电设备端以受电设备端的这些信息为依据，通过以太网向受电设备端供电。

1.2 以太网供电传输方式

IEEE 802.3af标准定义了以下一些在设计PoE网络时必须遵循的参数［3－4］。

PSE输出电压正常情况下为48 V，一般在44～57 V之间，但不能超过60 V。

由PSE产生的工作电流最大值不得小于350 mA，但一般不超过400 mA。这将确保以太网电缆不会由于其本身的阻抗而导致过热。基于最低44 V电压输出和350 mA的电流输出，使得PSE在其端口会产生不低于15.4 W的功率输出，但是经过以太网电缆传输后的损耗，受电端设备PD所能接受的最大功率将会有所下降。

PD端的输入电压范围为36～57 V，可用输入功率分为4个级别，其中第3级最大可用功率为12.95 W。

传输介质使用目前使用非常广泛的非屏蔽双绞线，典型代表是具有4对共8根电缆线的CAT-5型电缆［5－6］。

选择以太网双绞线的数据线进行供电，有A、B这2种模式。A模式采用以太网电缆中的1、2、3、6这4根数据线(1、2线为发送数据线，3、6为接收数据线)来传输电源，B模式采用以太网电缆中未定义到的4、5、7、8这4根数据线来传输电源。

1.3 以太网供电过程

供电端设备PSE是整个以太网供电过程的管理者。当在一个网络当中布置PSE供电端设备时，以太网供电工作过程如下。

1.3.1 检测过程

当一个PSE接入以太网时，PSE检测网络中是否存在需要PoE的设备，且PSE必须用一个有限功率的测试源来检查特征电阻，避免将48 V电源加给不兼容PoE的网络设备，造成危害。

PSE在端口向链路输出一个很小的电压(2.7～10.1 V)，并实时检测线路的电流。当有一个支持IEEE 802.3af标准的受电端设备接入链路时，PSE将一个阻值为23.75～26.25 kΩ的电阻串联到链路中。这样整个电路的电流将产生变化，PSE检测到这个变化的电流时就会认为它是一个有效的受电设备。

1.3.2 PD 设备端分类

在检测到受电端设备PD之后，供电端设备PSE就会按PD设备的需要进行分类，并评估此PD设备所需的功率损耗。为了检测PD的功率损耗，PSE输出一个14.5～20.5 V的电压，并检测电流值。这时PD同样会串入一个电阻，这个电阻将直接决定受电设备的最大功耗。

1.3.3 供电过程

在启动期内(可配置的时间，一般小于15 μs)，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提供48 V的直流电源，满足PD设备没有超过15.4 W的功率消耗。

1.3.4 断电过程

当从网络上去掉PD设备时，PSE会快速(一般在300～400 ms的时间之内)停止对PD设备供电，并重新开始检测线缆的终端是否连接PD设备。在整个过程中，PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等原因均会造成整个以太网供电过程在中间中断。

1.4 其他电气特性

IEEE 802.3af里还定义了其他的电气特性，包括隔离、容错、阻抗平衡、共模输出电压、数据线之间的输出噪声、差模噪声电压和回波损耗等［3］，具体请参考IEEE 802.3af标准。

2 受电设备端电路设计

在设计以太网受电端时，必须遵循上述规范。此外，在一个非常好的以太网受电端产品中，不仅需要支持辅助电源输入，以备在没有PoE的环境中也能使用辅助电源输入，而且也需要较高的电源转换效率和较低的物料清单(bill of materials，BoM)成本。

2.1 PD端PoE电源提取

当PoE输入时，PD端需要将PoE电源提取出来，PD端可能面对A模式或B模式这2种情况。

在A模式中，PoE电源选用以太网信号传输的数据线进行传输，所以需要从以太网隔离变压器的中心抽头取电。由于PoE电流可能达到400 mA，因此，隔离变压器也需要选用专用的、支持PoE功能的以太网隔离变压器来保证PoE电流的正常传输。

在B模式中，PoE电源选用的是以太网数据线未用到的数据线。

使用2个二极管桥［7］分别对A模式和B模式取电，最终提取出PoE直流电源PoE+和PoE－［8］，其中J1为以太网输入时所用的连接器RJ45，T1为以太网隔离变压器。

PD端PoE电源提取示意图如图1所示。

图1 PD端PoE电源提取示意图Fig.1 PoE power extracted at PD port

2.2 PD受电端状态检测

根据IEEE 802.3af标准定义，作为PD受电端，需要有一个阻值为23.75 ～26.25 kΩ 的电阻串联到链路中，供PSE检测用。在本设计中，选用美国国家半导体公司的LM5072芯片作为PD端的主控芯片，LM5072内部已集成了一个24.5 kΩ的电阻。在PSE检测期(2.7～10.1 V)，芯片 LM5072 可自动输出一个 24.5 kΩ 的电阻;当检测完成后，随着电压的升高，LM5072将会自动关闭24.5 kΩ的电阻输出，减少电源的损耗。

2.3 功率等级

当PSE完成对PD端的检测后，需要对PD端的功耗进行分类。PSE端会输出一个14.5～20.5 V的电压，以检测PD端的电流值。LM5072内部集成了一个功耗分类的电路。当电压在13～23.5 V时，PoE的两端可以检测到电阻 Rclass;当电压高于 23.5 V时，LM5072将会自动关闭电阻Rclass的输出，减少电源的损耗。根据IEEE 802.3af标准定义，电阻Rclass的阻值将决定PD端的功耗级别［3］，其阻值如表1所示。

表1 Rclass阻值Tab.1 Resistance of Rclass

2.4 电流限制

为防止PD端负载电流大于PSE端的最大输出电流而导致PSE停止对PD供电，可使用LM5072的CS脚来检测变压器初级线圈的电流状况，并对输入电源的电流进行限制。电流检测功能通过一个位于MOSEFT和RTN脚之间的感应电阻Rsense就可简单实现。由于Rsense必须是无感的，并且必须使用一个低通滤波器来减少开关噪声，可以使用一个简易的RC滤波器来实现。后向配置电路如图2所示，感应电阻Rsense是R8，而R7与C21形成一个RC滤波器，并将信号送至CS脚。

图2 后向配置电路Fig.2 Rear configuration circuit

2.5 反馈电路

在隔离应用中，通常将误差放大器功能置于隔离次级端。因此，本方案通过将LM5072 MH-80的FB脚连接到ARTN脚来关闭LM5072 MH-80的误差放大器。反馈电路如图3所示，反馈信号通过反馈网络放大后，经过光耦隔离将反馈信号传送到COMP网络，即LM5072 MH-80的COMP脚。

图3 反馈电路Fig.3 Feedback circuit

2.6 辅助电路输入

辅助电源输入有2种方式可以选择，一种是前向配置，另一种是后向配置。

前向配置就是将辅助电源的正负极通过一个二极管直接连到PoE的正负极上。这种配置一般用于辅助电源电压与PoE工作电压类似的情况，所以需要辅助电源的工作电压较高。

后向配置是将辅助电源的正负极通过二极管连接到隔离变压器初级线圈，这样辅助电源并不需要经过LM5072内部MOSEFT，所以辅助电源的工作电压可以较低。

在很多情况下，辅助电源的电压远低于PoE的工作电压，这时后向配置就变得非常合适，同时因为辅助电源的电压较低，导致与PoE相比支持同样功率的电源需要更大的电流。因为LM5072内部集成的MOSEFT能对PoE的电流进行限制，所以也需要辅助电源的电流不能流过LM5072内部的MOSEFT。

此外，由于使用了辅助电源，当辅助电源接入系统时，需要进行限流和EMC抑制。最常用的方法是使用一个可恢复保险丝进行限流，同时采用共模扼流圈有效抑制电源的空气辐射和传导辐射。辅助电源前端电路如图4所示。

图4 辅助电源前端电路Fig.4 Front end circuit of auxiliary power supply

由于辅助电源的正极与PoE+之间的二极管是辅助电源电流的必经之地，为提高辅助电源的能源转换率，可以使用较低前向电压的肖特基二极管。另外，二极管的反向电压必须大于PoE的电压，以防二极管被击穿。

从提高效率考虑，可以选择VISHAY公司的VB40100C。当环境温度为25℃以及工作电流为1 A时，VB40100C的前向电压低于0.4 V。从成本考虑，可以选择ON Semiconductor公司的MBRS1100T3。当环境温度为25℃以及工作电流为1 A时，MBRS1100T3的前向电压将近0.7 V。

2.7 LM5072 电路

LM5072是整个PD端的控制器，它负责PoE输入通信、PWM输出控制和反馈输入并调整PWM脉冲，以实现正确的电压输出。

2.8 电压转换

根据IEEE 802.3af标准定义，一般产品都必须满足IEC 60950～1:2001 6.2所定义的隔离标准，即产品的电气绝缘至少要能够抵挡住有效值为1 500 V的绝缘脉冲。为了达到相应的隔离标准，PoE电路需要采用隔离变压器馈电，反馈电路采用光耦隔离输入。

通过PoE变压器DA2257AL可以推出多组电源输出:输出3.3 V并提供2 A的电流、输出5 V并提供1 A的电流、输出10 V并提供0.05 A的电流。其中10 V输出可供LM5072芯片使用。

PoE变压器DA2257AL输出的3.3 V和5 V电压并不能直接使用，而是需要使用二极管进行整流，使用低正向电压的肖特基二极管来提高电源转换的效率。

当输入PoE电源时，PoE通过一个电感后连接到隔离变压器的主线圈上，主线圈的另一端通过一个功率MOSEFT连接到模拟地，即 LM5072的 ARTN与RTN脚。LM5072内部集成了一个MOSEFT，通过此MOSEFT将模拟地连接到PoE－，从而形成一个环路。

2.9 测量数据

将上述电路应用到实际产品中，经测试表明，该方案不仅支持以太网供电输入，也支持直流电源12 V±10%输入。

测试数据如表2和表3所示。

表2 PoE输入时测量数据Tab.2 Measuring data for PoE input

表3 辅助电源输入时测量数据Tab.3 Measuring data for auxiliary power supply input

由表2、表3可以看出，电压2输出的5 V电压值变化较大，这是由于反馈电路是从3.3 V信号上取样，以保证3.3 V电压的稳定输出;而3.3 V和5 V这2种电压均来自同一个变压器，所以VDD5(5 V电压的网络名)将会随着3.3 V和5 V输出负载的情况而变化，但在1 A的电流输出范围内，电压输出一般会大于5 V。

3 结束语

本文通过对IEEE 802.3af标准的分析，提出了一种基于LM5072芯片的完整的、可行的以太网设备端解决方案。基于此方案设计的产品，经过测试，当PoE输入时电源的转换效率达到80%左右。当12 V直流辅助电源输入时，由于其电压较低导致转换效率降低，但是仍然可以达到75%左右，完全可以满足系统9 W左右的电源需求。另外，由于在设计中充分考虑了EMC、Safety等相关测试，使设计电路能够顺利通过CCC、UL等相关认证测试。

随着科学技术的发展，可支持更大功率输出的IEEE 802.3at标准也正在推出，其中等级4可支持PD端获得高达29.4 W的功率输入，使更多的较大功率的产品也可以使用 PoE来进行供电［9－10］。

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