基于POE技术的物联网终端电源接口模块设计

丁倩雯

摘要：该文设计了一种基于POE技术的物联网终端电源接口模块，该模块的核心器件为POE电源管理芯片，通过该芯片及其配套电路完成PD受电端设备检测、分级和电压适配功能，从RJ-45网络接口获取48V直流电源，经过降压后为物联网终端提供稳定的5V电源。该接口模块使得物联网终端直接从以太网获得电源和传输数据，从而在安装时不需要单独布电源线，安装更为方便安全，节约成本。

关键词：POE；电源接口；PD检测；降压

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0029-02

1 概述

随着物联网技术的不断发展，各类网络终端在人们的日常生活中占据了越来越重要的地位。例如人口数量较密集的公司或高校等单位已经开始逐步采用联网的考勤装置，考勤终端数量多、分布广，现有的网络考勤设备几乎都是通过RJ-45网络接口上传数据，另外还需要单独的直流电源接口，这就导致安装设备时不仅要进行网线的布局还需要单独布电源线，造成了安装成本的增加，并带来了漏电的风险。由于社会经济和信息化技术的飞速发展，出于安全以及智能化管理的目的，各行业对网络视频监控的需求量猛增。网络视频监控的全天候运行需要保障不间断的平稳电力。而在安装过程中，经常会出现实际施工与设计略有偏差，无法保障稳定电源，不得不重新设计摄像头的安装地点的情况。而重新选择的安装地点可能会导致出现监控死角，使安防监控的整体布局失去意义。要想使网络摄像机在预计地点正确安装，就要让网络摄像机的供电不再是安装的瓶颈。

POE（以太网供电）技术利用现有以太网布线的基础架构，在不做任何改动就能保证为一些基于IP的终端传输数据的同时，还能为其提供直流电源。POE技术利用一条通用以太网电缆同时传输数据信号和直流电源信号，将电源和数据集成在同一有线系统中。而目前的以太网接口中共有4对线缆，其中两对用来传输数据，另外的两对处于空闲状态。如果能够有效利用网络线缆同时传输数據和直流电源，将会使网络终端的布局摆脱电源的束缚，系统设计和将更为经济和简便。

2 电源接口模块设计

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）两部分。PSE设备是整个POE以太网供电过程的管理者，不仅为网络终端提供稳定电源，还要对供电过程进行智能化管理和控制。而PD设备通过网络从PSE获取电源。在PSE和PD之间实现POE供电要经过如下四个步骤：

1）检测：首先PSE设备在端口尝试输出一个小电压，检测其线缆连接网络中是否有符合要求的受电终端，该终端需要符合IEEE 802.3af标准。当检测到网络中存在受电端设备PD之后，PSE设备会通过测定分级电阻的方式为PD设备进行分类，并且计算此受电终端的功率损耗。PD受电终端设备的功率分级参见表1。

2）开始供电：检测并分级的过程执行完毕后，PSE设备从低电压向PD设备供电，这一启动期需要大约15μs，直至提供的直流电源达到48V。

3）供电：由PSE按照IEEE 802.3af标准为PD设备提供稳定可靠的48V直流电，并满足设备不超过15.4W的功率消耗。

4）断电：若PD设备从网络上断开时，PSE在300～400ms之内停止为PD设备供电，并重复执行第一阶段的检测过程以确定连接网络中是否还有符合标准的受电终端存在。

因此，PD端设备需要有POE电源接口模块来配合PSE设备完成以上四个步骤。

电源接口模块结构图如图1所示。

该模块的主要功能为完成PD设备的检测和分级反馈，并进行DC-DC电压变换，以适应PD设备的实际用电需求。该电路中采用了无锡新硅微电子技术有限公司自主研发的POE电源管理芯片WS3201。该芯片兼容IEEE 802.3af标准，包括检测和分级模式，具备温度补偿和电流限制功能。在瞬态过载情况下，内部热保护设计能有效起到保护作用。WS3201的DET引脚引出PSE设备检测PD设备的检测电阻，阻值为24.9kΩ。对于以太网供电来说，第一步PSE检测是否存在符合标准的PD设备是其非常关键的一个步骤，通过检测能够保证网络电压值只加在需要供电的PD上。另外，该检测过程必须在500ms内完成，如果PSE等待时间太长也同样会损坏连接在PD位置上不需要供电的以太网设备。在PSE成功检测到需要供电的设备后，就要对PD进行分级操作，确定设备需要的功率。模块中CLASS引脚外接的就是PD设备的分级电阻，如表1所示，802.3af 标准将PD设备分为5个等级，每个等级对应 PD设备的一个功率范围，功率范围从0到 12.95w， 这个电阻的阻值可以根据后级设备所需的功率值来确定。在对设备进行分级的过程中，PSE首先对受电PD设备输出一个15～20V的小电压，通过测量网络中产生的电流大小来确定PD的级别。在这个阶段，PD的电源部分将被欠压锁定（UVL0）电路维持在无源状态直至分级完成。

MP6001是单片DC-DC转换芯片，该芯片包括一个150V电源开关，并且能够提供高达15W输出功率。通过调整与MP6001配套的变压器以及电阻分压电路的参数，可以获得匹配PD终端的直流电压，一般为5～12V。

经过应用测试，该接口电路只需要通过RJ45接口与PSE端正确连接，就可以获得稳定的5V电源，为IP电话提供了正常工作所需要的电源和数据传输通道。

3 总结

本文提出了一种基于POE技术的物联网终端电源接口模块的设计，可与现有的物联网终端电路进行集成，具有较强的实用价值，采用POE供电后，物联网系统中终端设备的电源设计变得更简单，终端的位置不受电源的限制，所以终端节点的分布更灵活多样，同时网络系统的可靠性和扩展性都得到了提升。