兼容IEEE802.3at的高功率以太网供电的设计与分析

王 蕾,杨 铸

(武汉邮电科学研究院,430074)

0 引言

随着网络技术的发展，很多设备都要求同时进行数据连接和电源供电支持，然而很多设备安装在距离机房较远地方，为每个设备提供一套外置电源会大大增加组网成本，为了解决此类问题，IEEE在2003年6月通过了IEEE802.3af标准--以太网供电标准，该标准规定了供电设备可以通过以太网向功率在13W以下的受电设备供电，但随着双波段接入、视频电话等高功率应用的出现，13W已经不能满足需求，故IEEE在2009年通过了新的PoE标准802.3at（PoE Plus）以提高以太网供电的功率，满足高功率应用的要求。

1 IEEE802.3at标准简介

为了遵循IEEE802.3af标准，受电设备(PD)上的PoE功耗被限制为12.95W，当高功率应用出现时，13W的供电功率就远远不能满足需求，从而限制了以太网供电的应用范围、为了克服PoE供电的功率瓶颈，并将其推向新的应用，IEEE对IEEE802.3at实现的可能性进行评估，于2009年通过了802.3at标准，在新的IEEE802.3at中将功率高于12.95W的设备定义为class4，可将功率水平扩展到25W或更高，由于能支持更高的功率，802.3at标准能将PoE应用很容易的扩展到新的领域。

802.3 at标准定义了一个新的数据层分级，称为LLDP(Link Layer Discovery Protocol,即链路层发现协议)，用于PSE与PD的通信。当链路层上电，PSE与PD将使用LLDP来确定PSE可提供功率和PD的功率需求，并运行PSE反复查询PD，以动态了解PD的功率需求，有了该机制，就可以实现功率的动态分配，PSE可以随PD的功率波动调整供电功率，PD也可以提出并放弃之前的功率请求。

表1

802.3 at与802.3af相比，可输出2倍以上的电力，单个端口的输出功率在30W以上，可以扩展PoE的应用范围，二者在功率、分级、线缆上有不同的定义，如表1所示：

2 PoE的构成和工作原理

一个完整的PoE系统包括供电端设备PSE(Power Sourcing Equipment)和受电端设备PD(Power Device)二部分，PSE是用来给PD设备进行供电的设备，同时管理整个以太网供电过程，PSE可以分为二种，即端点设备(End point,PoE功能在网络交换机里面集成)和中间跨接设备(Midspan,一种没有交换机功能的中间设备)，PD受电设备则是消耗PSE电能的。

IEEE802.3at标准规定：以太网供电可以采用网线中的数据线1,2,3,6四根线供电，也可以采用备用线4,5,7,8供电， 如图1所示。IEEE802.3at 标准不允许采用四对线缆同时供电， PSE只能选择其中一种线缆供电方式，而PD需同时支持这两种线缆供电方式。

图1 数据线对和空闲线对供电方式

3 方案设计

先介绍一种可以支持多种功率的电源设计方案，最高达90W,主要由一下几个部分组成;PSE接口控制器、以太网供电电源数据合并及分离电路、PD接口控制器。

3.1 PSE设计

根据IEEE802.3at标准，PoE供电需要经过一系列的检测和分级才能对设备供电；当建立供电机制后，需要监控PD的供电情况，在必要的时候需要PSE断开对PD的供电；具体过程大致分为检测、分级、供电和断电，802.3at标准采用了比802.3af更加详尽的硬件分级机制和数据层机制使PSE和PD设备能够相互识别，有了这种识别能力，供电设备(PSE)就可以合理的向受电设备(PD)供电，802.3af受电设备也可以由802.3at设备供电，并且802.3at受电设备能够知道它能够得到其较大负载的全部功率。

PSE控制器检测电路不能由于偏移、噪声和连接抖动等影响PD的发现，PSE工作时首先检测网络上是否有PD设备，然后按照功率等级对设备进行分级，然后对PD供电，同时监控供电的情况，对PD的后续状态做出判断和相应的处理。

设计中使用Linear 的以太网供电（PoE）接口控制器LTC4274,能够提供最高达90W的LTPoE++的电源并兼容LTPoE++的受电设备(PD)，该芯片提供用电设备侦测、分级、限流以及交流或直流负载断开的探测。兼容IEEE802.3at的type1(13W)和type2(25.5W)的端点跨度PSE、中间跨度PSE系统；其内部有底开通内阻的MOSFET管和0.25Ω的用于检查电流等级的检测电阻， 由于其内阻小，才为其低功耗提供了可能。LTC4274拥有通用的I2C接口，14-bit的电流控制ADC，可编程的电流限制DAC，通用的快速关断SHDN端口，其接口电路如图2所示：

图2 基于LT4274的PSE接口电路

3.2 电源数据传输电路

电源数据合并传输电路如图3所示，根据IEEE802.3at的要求，是可以使用数据线或者空闲线供电(此时硬件上只用选择其中一组即可)，但是当PSE提供的功率高于38.7W的时候，单独的数据线或者空闲线供电时，单根传输线承受不了那么大的电流，故LTPoE++私有协议中将数据线和空闲线同时供电以满足大功率的要求。在图3中选用MIDCOM WURTH 749022016变压器，用于Midspan PSE数据和电源的合并传输。网络数据信号先隔离共模信号，再通过网络变压器耦合到网线的另一端，这样网线与PSE电源适配器无物理上的连接，PSE电源适配器上通过压敏电阻提供2KV的耐压，起到了防雷保护作用，Bob smith电阻提供给网络端口任意二对查分信号间提供150Ω的阻抗匹配，同时释放共模信号。

电源数据分离电路类似合并电路，为防止电源适配器产生的噪声干扰数据信号及其它设备，同样使用MIDCOM WURTH 749022016变压器，变压器将PSE送过来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波，通过电磁场的转换，再隔离共模信号送到另一端，完成信号的分离，再将数据信号从 RJ45端口接出去，电源信号则经过整流桥，使PD能够在主输入端或者备用输入端接受任一极性的电源。

图3 电源数据合并电路

3.3 PD设计

IEEE802.3at允许PSE使用网线中的数据线传输电源，还允许使用备用线对PD进行供电，PD要能支持二种供电方式， 当在高达90W功率下工作时，由于单根传输线的电流承受能力有限，将使用LTPoE++私有协议，使用数据线和空闲线同时传输电源，PD可以接受任一极性的电源，通过桥式整流电路整流，以完成电源的配置，整流桥后的SMAJ58A TVS二极管用于防止电源正、负极变化对电路的影响；0.1uf电容和24.4K(VPORT和GND内部)的特征阻抗，因为所用的基于FDMQ8203组成的整流桥，阻抗比IEEE规定的小，所以特征阻抗为24.4K,PD的控制电路如图5所示。

接口电路采用了linear最新的LTC4275，为PD提供完整的PoE功能，兼容IEEE802.3af、IEEE802.3at在高于25.5W应用下将使用LTPoE++。

在检测模式下，PSE在Uin上施加二个2.8～10V电压，然后记录响应电流，PSE随后测量出ΔU/ΔI,确定存在25 K的特征电阻和。

在分级模式下，PSE根据PD所消耗的功率对PD 进行分级，有效的管理功率分配，如表2所示。LTC4275分级电阻兼容IEEE802.3at标准，当需要使用超过25.5W的功率时，则兼容LTPoE++自有标准，当使用的是Type 1的PSE时，在探测模式完成后，将会施加一个15.5V～20.5V的分级电压，从而得到一个电流，完成分级；当使用Type 2 PSE可以通过硬件二级分类事件(施加二个15.5V～20.5V的分级电压)或与数据链路层的高速信号线通信来分级PD，PSE则根据分级电流来区分PD所需要的功率，只要在IEEE802.3af、IEEE802.3at或者LTPoE++的范围内，PD就会进入供电模式，分级电流则会被断开。

表2 LTC4275分级电阻分级电流功率表

图4 电源数据分离电路

图5 PD接口控制电路

4 PCB layout注意事项

(1)为了防止过大的寄生电容RCLS和RCLS++尽量靠近LT4275，为了保护LT4275安装SMAJ58A抑制输入电压瞬变，SMAJ58A尽量要靠近LT4275。

(2)当功率高于25.5W时需要考虑增加散热，如加大PAD的面积，电源部分走线的加宽并单独分层，使用特殊的外置MOSFET和电阻器和变压器来加速散热。

5 结语

以太网供电技术作为一种具有开放性、创新性的供电技术，改变了以往以太网设备的供电方式，面对越来越大的功率需求，802.3at协议还不足以满足需求，在不久的将来可能会开放四对双脚线支持供电以解决大功率供电的需求；随着技术日渐完善，应用范围也将越来越广，存在的问题将不断被解决。

本来介绍了一种兼容802.3at的25w的大功率应用，最高可达90W(linear 私有协议LTPoE++下)，为大功率以太网设计提供了一个参考，由于使用中间跨接方式，能在低成本的条件下灵活升级，该方案在产品升级中能解决很多以太网产品供电问题。

[1]IEEE 802.3at-2009.http://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html

[2]刘敬武 孙秀山 魏国勋.PoE技术简介及应用分析[J].科技信息，2013.6:311-312.

[3]刘佳.黄华.兼容IEEE802.3af的高功率以太网供电PD端设计[J]. 现代电子技术,2008.5:160-164.

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