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IEEE802.3af標準的制定推動(dòng)了以太網(wǎng)供電技術(shù)的使用，而TI公司推出的兼容標準的高功率供電管理芯片TPS23841和 TPS2376H，很好地解決了25W以?xún)染W(wǎng)絡(luò )設備的接入問(wèn)題。本文基于以上兩種芯片設計出兼容標準的高功率以太網(wǎng)供電系統。 1 IEEE802.3af標準簡(jiǎn)介[1] IEEE802.3af標準定義了一種允許通過(guò)以太網(wǎng)在傳輸數據的同時(shí)輸送48 V直流電源的方法,它將以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet，PoE）技術(shù)引入到現有的網(wǎng)絡(luò )基礎設施中，最大傳輸距離為100m。PoE由供電設備PSE和受電設備PD組成。PSE分為端接式和中跨式兩種類(lèi)型，主要實(shí)現對PD的檢測、功率分級（可選）、供電和斷電等功能；PD主要作為標準識別設備，返回各種符合標準的信號以及持續工作信號，從而完成整個(gè)供電過(guò)程。 2 PSE系統結構組成[23] PSE主要實(shí)現上述電源管理功能，系統由硬件和軟件兩部分構成。PSE系統結構如圖1所示,16位單片機MSP430F147通過(guò)模擬I2C總線(xiàn)對TPS23841內部寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)，來(lái)實(shí)現電源管理功能；通過(guò)P4.0設置TPS23841的工作模式；通過(guò)P2.7獲得出錯信號，從而通過(guò) P4.2對TPS23841產(chǎn)生有效的復位信號。系統中對必要的信號及電源進(jìn)行了隔離，MSP430F147通過(guò)UART接口經(jīng)MAX13085轉換為 RS485電平后與供電監控PC機通信，當沒(méi)有與PC機連接時(shí)系統會(huì )自主運行。 
圖1 PSE系統結構圖 TPS23841的工作電壓范圍為21.5~57V,比IEEE802.3af標準定義的電壓范圍大得多。也就是說(shuō)，TPS23841可以提供上述電壓范圍的供電，這使得以太網(wǎng)供電技術(shù)可以應用在醫療、工業(yè)等24V的供電系統中。同時(shí)，可以通過(guò)提高輸入電壓的方法將傳輸功率提高到25W，供電可以通過(guò)1/2、3/6或者4/5、7/8號線(xiàn)對傳輸到遠端PD。在特殊情況下也可以通過(guò)4個(gè)線(xiàn)對同時(shí)傳輸供電，這樣可以獲得更高的傳輸功率。交流斷路檢測電路用來(lái)產(chǎn)生交流斷路檢測信號，地址設置電路用來(lái)設置TPS23841的I2C設備地址，通過(guò)設置不同的地址可以接入多個(gè)TPS23841，從而達到擴展供電端口的目的。MSP430F147通過(guò)內部集成的溫度傳感器實(shí)時(shí)監控系統工作溫度，當過(guò)熱時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇散熱。 3 PSE的硬件設計 PSE的供電管理功能主要由TPS23841實(shí)現。TPS23841運行時(shí)內部工作所需的10 V、6.3 V和3.3V由外部供電產(chǎn)生，每個(gè)供電端口可以提供高達570 mA的電流，而對每個(gè)PD可以提供最高25W的功率。TPS23841內部集成了4個(gè)獨立的15位A/D轉換器，用來(lái)測量每個(gè)口的電阻、電壓、電流,可以更加精確地實(shí)現供電管理功能。如圖2所示，PSE的硬件電路主要由TPS23841及其外圍電路組成。在4個(gè)供電回路中加入自恢復保險絲來(lái)實(shí)現過(guò)流保護的功能，通過(guò)加入瞬間電壓抑制器實(shí)現過(guò)壓保護的功能，由50、51腳引出的電路產(chǎn)生交流斷路檢測信號，在各供電端口加入了顯示電路。I2C的5位地址由外部撥碼開(kāi)關(guān)S1設置，三線(xiàn)I2C總線(xiàn)經(jīng)過(guò)光耦隔離后連接成為標準的兩線(xiàn)I2C總線(xiàn)。在PSE系統中，通過(guò)對MSP430F147編程來(lái)實(shí)現電源的高級管理功能。
圖2 PSE硬件原理圖 4 PSE的軟件設計[23] TPS23841內部集成了標準的I2C模塊，MSP430F147通過(guò)I2C通信實(shí)現高級電源管理功能。TPS23841具有3種工作模式，分別為自動(dòng)模式（AM）、半自動(dòng)模式（SAM）和供電管理模式（PMM）。AM模式下，TPS23841不需要微控制器控制，自動(dòng)實(shí)現對PD的檢測、分級和供電等功能，此模式下采用DC斷路檢測法檢測PD是否斷開(kāi)；在SAM模式下，TPS23841運行在A(yíng)M模式下，但可以通過(guò)I2C總線(xiàn)來(lái)讀取所有狀態(tài)寄存器和A/D寄存器的內容，并且可以不需要微控制器參與而自動(dòng)完成對PD的檢測；在PMM模式下，可以執行AC斷路檢測，并且可以獲得每個(gè)PD的電壓與電流參數，供電管理更加靈活。當TPS23841工作在SAM和PMM模式時(shí)需要微控制器MSP430F147來(lái)完成整個(gè)供電管理過(guò)程。PSE的運行控制過(guò)程如圖3所示�？刂瞥绦蛑饕獙�(shí)現系統初始化、控制TPS23841、與PC通信，以及對數據進(jìn)行封裝與解析等功能。當沒(méi)有與PC機連接時(shí)，設置 TPS23841工作在A(yíng)M模式下，TPS23841將自主運行；當與PC機連接時(shí)，系統將按照用戶(hù)的要求將TPS23841設置為相應的工作模式，在 SAM和PMM模式下，能夠采集到各個(gè)端口的運行參數，在PMM模式下可以對各個(gè)端口的供電進(jìn)行控制。系統最后將采集到的數據封裝后通過(guò)RS485發(fā)送到 PC機。
圖3 PSE運行控制流程 5 PD的設計與實(shí)現[4] TPS2376H是TI公司推出的兼容標準的高功率PD控制器，PD的設計原理如圖4所示，整流橋做極性保護用，瞬間電壓抑制器D1用來(lái)消除過(guò)壓造成的損害。當作為標準PD設計時(shí)，TPS2376H的外部檢測電阻、分級電阻按照標準定義的參數進(jìn)行設置。當作為高功率PD設計時(shí)，PSE需要提供 52~57V的供電電壓，TPS2376H的分級電阻需要設置為標準定義的備用級別4級。此時(shí)PD可以接收TPS23841傳送的最高25W的功率，高功率傳輸可以通過(guò)提高傳輸電壓來(lái)獲得，同時(shí)也可以通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)的4個(gè)線(xiàn)對供電，這樣傳輸的功率是兩線(xiàn)對傳輸功率的2倍。兩種方式有各自的優(yōu)點(diǎn)。兩線(xiàn)對供電用在IEEE802.3af系統中，一線(xiàn)對用來(lái)傳輸電流，另一線(xiàn)對用來(lái)作為回路，其余兩個(gè)線(xiàn)對不傳輸供電，是一種最簡(jiǎn)單的實(shí)現方法，但是對于不供電的兩個(gè)線(xiàn)對卻不能很好的利用，這是一種損失。四線(xiàn)對供電降低了電纜的阻抗，但卻增加了線(xiàn)對的電流平衡問(wèn)題，不同的隔離變壓器阻抗、電纜、連接器和PD方的整流橋都會(huì )導致供電線(xiàn)對的電流不平衡，PD端可以通過(guò)2個(gè)獨立的DC/DC轉換器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，在24V的供電系統中為了防止誤分級PSE應選擇不分級操作。 PD后端采用LT1074HVIT將電壓轉換為設備工作需要的5 V或3.3V電壓，LT1074HVIT的輸入電壓為10~60 V，輸出電流最大為5A，輸出電壓可以根據Vout=2.21×(1+R1/R2)來(lái)進(jìn)行設置。
圖4 PD設計原理圖 6 PoE在RFID系統中的應用 在RFID應用系統設計時(shí)，讀寫(xiě)器的供電問(wèn)題是必須要考慮的，對基于以太網(wǎng)通信的讀寫(xiě)器來(lái)說(shuō)，采用以太網(wǎng)供電技術(shù)將大大降低讀寫(xiě)器的成本。在實(shí)際應用中將PSE系統和交換機集成在一起設計出了端接式PSE（即PoESwitch），使得應用更加靈活方便。典型應用如圖5所示。
圖5 PoESwitch在RFID系統中的應用 當PoESwitch偵測到讀寫(xiě)器、無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)為合法的PD后，將執行可選的分級操作，之后將向它們供電，同時(shí)由監控PC上的PSE終端監控軟件完成對各個(gè)供電端口的監控。 結語(yǔ) 本設計采用MSP430F147單片機和以太網(wǎng)供電管理器TPS23841、TPS2376H開(kāi)發(fā)了兼容IEEE802.3af標準的高功率 PoE系統。此系統也可應用在醫療、工業(yè)等21.5～57V、最高功率為25 W的供電環(huán)境中，具有良好的兼容性。 參考文獻 [1] IEEE 802.3af—2003[S],20030618. [2] Texas Instruments. SLU745, TPS23841 datasheet,200611. [3] 秦龍. MSP430單片機C語(yǔ)言應用程序設計實(shí)例精講[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2006. [4] Texas Instruments. SLVS646A, TPS2376H datasheet,200609. 作者：四川灃泰射頻識別科技有限公司 袁李 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2008 (11) |
