以太网供电电源的设计与实现

胡国珍,马学军,邹德军

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

以太网供电电源的设计与实现

胡国珍,马学军,邹德军

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

以太网供电技术的核心是利用信号线传输直流电能，它既省去了架设供电线路的成本，又为供电的集中管理创造了条件，在通讯设备繁多、使用环境复杂的背景下具有较高的使用价值。给出了基于以太网供电协议IEEE802.3at的以太网供电系统设计方案。选用德州仪器公司(TI)的TPS23851作为供电设备控制芯片，用以对受电设备进行识别、分级、供电、检测等操作；受电设备选用TPD2376-H用以辅助供电设备完成供电协议要求的供电操作；后级的DC-DC降压变换器选用Power Integrations的DPASwitch424，将直流电压变换为适宜于以太网供电的电压等级。基于以上方案，研制了一套以太网供电系统，系统能满足IEEE802.3at标准要求，实现了以太网供电功能。

以太网供电;供电设备;受电设备;IEEE802.3at

自2003年IEEE工作组颁布以太网供电POE(POE,Power over Ethernet)标准IEEE802.3af以来，以太网供电技术发展迅猛，国内外多家公司研发出专用的以太网供电控制芯片，市场上也出现了基于以太网供电平台的终端产品。以太网供电主要有两大优势：一是省去了架设电源线路的成本，为通讯设备的安装使用提供了很大的灵活性；二是使得电源管理变得智能化，可以像管理网络一样坐在计算机前就可以管理一片区域的设备供电[1-2]。

IEEE802.3af规定以太网供电功率为12.25W，该功率较小，极大地制约了以太网终端设备的使用。2009年IEEE工作组又发布了IEEE802.3at标准，该标准将原来的供电功率从12.25W提高到了25.5W，拓宽了以太网供电系统的适用范围，为以太网供电的蓬勃发展注入了动力。

本文基于IEEE802.3at标准设计了一款POE系统，实现了向以太网终端设备供电，同时还兼顾了高兼容性和高稳定性的系统需求，具有较高的应用价值。

1 以太网供电系统总结构

本文设计的以太网供电系统采用中间PSE结构，即利用传输信号的1、2和3、6号双绞线进行直流电能的传输。以太网供电系统总结构如图1所示，以太网系统主要分为3块：供电设备(PSE,Power Sourcing Equipment)、受电设备(PD, Powered Device)和DC-DC转换部分[3-4]。

图1 以太网供电系统总结构

PSE是向以太网客户端供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD是接受供电的PSE负载，即POE系统的客户端设备，如IP电话、网络摄像机、掌上电脑或移动电话充电器等许多其他以太网设备[5]。根据IEEE 802.3at标准规定，PSE供电必须经过一系列的检测和分级才能给PD设备供电。供电之后，还需监控用电设备的供电情况，必要时要断开供电。以太网供电过程如图2所示,具体供电过程可分为检测、功率分级、供电、断电这4个部分。

图2 以太网供电过程

2 系统设计

2.1 PSE设计

PSE选用德州仪器公司(TI)的TPS23851作为主控芯片。TPS23851是以太网供电设备的专用芯片，其基本功能完全符合IEEE 802.3at以太网供电协议，能完成对受电设备的检测、识别、分级、供电任务。同时它还具备灵活的工作模态：自动工作模式、半自动工作模式和全控模式，工作模式根据设计的需要设定；内置有4个14位的A/D转换器，为精确的识别、分级和过流保护提供了条件。基于TPS23851的PSE典型电路设计如图3所示。TPS23851首先会对受电设备发出识别电平，采用4点识别技术，通过DET口向受电设备发送2种不同的电流来识别特征阻值(受电设备标准的特征值为25k的电阻和0.1μF的电容)；识别后通过检查电流值来对受电设备的功率进行分级，分级完成后给受电设备供电。若启用了交流离线识别功能，PSE还会通过DET端口发出110Hz的交流识别电压，识别受电设备的有无,以确定是否继续往网线上加载电压。

PSE部分包含精密的电压、电流采样电路和传输网络信号的高频电路。高频信号电路采用Pulse公司的高频网络变压器H2014进行信号隔离，以保证其高稳定性。用于通断控制的MOSFET选择VISHAY公司的IRF540N，其Vds为100V，Id为23 A。DET引脚所接二极管上并联的电阻和电容(图3中R1和C5)是用于交流掉电识别。

图3 PSE电路设计

2.2 PD设计

设计选用TPS2376-H作为受电设备(PD)控制器，它能协助PSE完成识别、分级、供电、检测等任务，PD电路设计如图4所示。本设计方案中设计传输功率为25.5W，故分级电阻(2脚CLASS和4脚VSS间)取值为255Ω。IEEE802.3at规定受电设备标准的特征值为25k的电阻和0.1μF的电容，图4中为R9和C7。当供电设备完成对受电设备的识别、分级、供电后，TPS2376-H的PG引脚会输出一个高电平信号。这个高电平信号能作为下一级DC-DC转换器控制芯片的使能信号，可顺利避开受电设备内置的容性负载过流保护。

此外，为了提高TPS2376-H的限流值，电路中还设计了分流电路。当TPS2376-H管脚5上的电流增加时，R17、R18两端的压降就会增加，晶体管Q2开始工作；当R17、R18两端压降超过0.7 V时，通过R17、R18的电流就会使得晶体管Q1导通，从而分流了TPS2376-H管脚5的输出电流。

图4 PD电路设计

2.3 DC-DC单端反激电源设计

DC-DC单端反激电源是以太网供电系统中受电设备的最后一级，其供电质量决定着以太网终端运行可靠性的高低。本设计采用Power Integrations公司的以太网专用DC-DC转换控制器DPASwitch424进行设计[6]，单端反激电路设计如图5所示。DPASwitch424输入电压范围为16～75V，内部集成了220V的高频MOSFET及PWM控制器，只需要很少的外围器件就可以实现高性能的DC-DC转换。变压器副边输出电压反馈部分采用传统的PC817和TL431配合的方案。

图5 单端反激电路设计

3 系统测试

基于以上分析，设计了一款供电功率25.5W、满足IEEE802.3a标准的以太网供电系统实验样机，如图6所示。图6(a)为PSE实物图片，图6(b)为PD实物图片。

图6 以太网供电系统实验样机

TPS23851工作在自动模式下，以太网供电系统在识别和分级过程中的电流、电压值都比较小，需要多次匹配阻容值才能达到理想的实验效果。端口特征阻容为5kΩ，0.1μF时，端口上的电压波形如图7所示。从图7中可看出，PSE不停向PD发送检测电平，但当端口阻容不满足IEEE802.3a要求的特征阻抗时，系统无法给受电端供电。

图7 端口特征阻容为5kΩ,0.1μF时端口电压波形

端口特征阻容为25kΩ，0.1μF时，端口上的电压波形如图8所示。此时已完成对受电设备的识别和分级，此波形展示了以太网供电系统的整个操作流程。开始为启动识别时的电压抖动，接着是4点识别，然后是功率分级，最后是供电开始，当检测到设备掉电时断开供电。

图9所示为PD接20W负载时的输出电压和电流波形。从图9中可看出，PD通过后级反激电源供电稳定，电压纹波不超过100mV，满足供电要求。

图8 端口特征阻容为25kΩ,0.1μF时端口电压波形

图9 以太网供电电压和电流波形

4 结论

本方案是基于IEEE802.3at协议开发的标准以太网供电系统，最大的传递功率为class 4级别的25.5W，能满足大部分以太网终端的需要。经过实验测试，该系统能稳定地供电运行，且各项功能符合标准要求。

[1] Heller C,Heidinger E,Schneele S,et al.Power-over-Ethernet for avionic networks[C].2010IEEE/AIAA 29th Digital Avionics Systems Conference (DASC),2010:1-11.

[2] 胡磊.以太网供电技术研究[D].杭州:浙江大学,2007.

[3] 丁倩雯.基于POE技术的物联网终端电源接口模块设计[J].电源技术应用,2013(9):299-300.

[4] 王珊珊，周镒，曹珺飞，等.POE端口的电磁兼容测试[J].安全与电磁兼容，2010(3):15-17.

[5] 李元世.以太网供电电源控制器的研究[D].广州:华南理工大学,2010.

(责任编辑吴鸿霞)

Design and Realization of Power Supply of Ethernet

HuGuozhen,MaXuejun,ZouDejun

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003 )

The most important power technology for Ethernet is mixing the signal transport and DC power transport together in common twisted-pair wires.This technology plays a huge role in the Environment of large amounts of communication equipments and complex using environments,which also reduces the cost of the power supply projects and offers good conditions for the centralized management of the power.The design is based on the IEEE802.3at Power over Ethernet protocol aiming to design a standard Ethernet power supply system.TPS23851from Texas Instruments (TI) has been chosen to finish the design as the control chip of the power sourcing equipment (PSE),which can be used to realize such operations as identification,classification,power supply and testing for the powered device.TPD2376-H as the main chip for the auxiliary power supply equipment is used to complete the power operations with the direction of PSE.The DC-DC buck converter selects DPASwitch424 of Power Integrations as its control,which DC voltage is converted to a suitable voltage for Ethernet-powered devices.A power supply over Ethernet system has been developed and the performance can meet the standard requirements.

power over Ethernet;power sourcing equipment;powered device;IEEE802.3at

2014-02-20

湖北省教育厅科学技术研究重点项目(项目编号D20144404);湖北理工学院优秀青年创新团队及创新人才项目(项目编号12xjz19C，13xtz04)。

胡国珍(1979— )，男，副教授，博士，研究方向：新能源及储能能量变换及管理技术。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.004

TM461

A

2095-4565(2014)04-0012-04