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2003年，針對以太網(wǎng)供電(PoE+)的IEEE802.3af標準為以太網(wǎng)開(kāi)辟了一個(gè)新的應用領(lǐng)域，即通過(guò)以太網(wǎng)同時(shí)傳輸DC功率和10/100/1000Mbps數據。該標準規定了12.95W的標稱(chēng)傳輸功率，對于早期接受這項新技術(shù)的應用(包括標準VoIP電話(huà)、安全攝像機和無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn))來(lái)說(shuō)，該功率綽綽有余。自此之后，PoE基礎設施在業(yè)界變得十分普遍。與此同時(shí)，人們對于附加功能和較高功率的需求也有了顯著(zhù)的增長(cháng)。固定安全攝像機逐漸獲得了全動(dòng)感視頻，無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)能夠在更遠的距離上提供更高的信號強度，而VoIP電話(huà)則可提供視頻和外設支持。為對功能的增加提供支持，這些受電設備(PD)需要從PSE(供電設備)獲取超過(guò)最初PoE標準規定限值的功率。人們開(kāi)始考慮制定基于IEEE802.3af規范的IEEE802.3at(亦稱(chēng)PoE+)標準，旨在適應新的高功率應用需求。 PoE+滿(mǎn)足高功率需求 需要進(jìn)行謹慎工程設計的領(lǐng)域之一是將被用來(lái)實(shí)現PSE和PD相互識別的新型分級機理。實(shí)現這種相互識別需具備以下能力：PSE可以正確地為 802.3af(也稱(chēng)作Type 1硬件)和802.3at(Type 2硬件)PD供電；可以由802.3at PSE來(lái)為802.3af PD供電；802.3at PD可以知曉它們是否具有其較高負載所需要的完整可用功率。每種組合都需要擁有一種明確定義和一致的工作特性，以保持802.3標準內部的互操作性。借助一種更加精細的硬件分級機理和一種新型數據層機理，這種相互識別能力在PoE+中得以實(shí)現。 PoE+增添了一種被稱(chēng)為“兩事件分級”的新型硬件分級，并要求PSE必需重復進(jìn)行兩次802.3af電壓探測。PD的每次電壓探測都將導致吸收單個(gè)電流脈沖(圖1)，這對應于一個(gè)特定的功率級。作為開(kāi)始，PSE將在數據或備用線(xiàn)對上確定一個(gè)約15.5V至20.5V的電壓脈沖。PD以一個(gè)高達40mA的電流做出響應，該電流把4種功率等級之一傳送至PSE。雙脈沖是一個(gè)發(fā)送至PD的指示信號，表明連接的PSE確實(shí)是一個(gè)高功率PSE，能夠提供與802.3at功率相關(guān)聯(lián)的較高功率級。 802.3at PD以一個(gè)Class 4電流做出響應，由此向PSE傳遞這樣的信息：自己是一個(gè)需要完整可用功率的高功率PD。802.3af中的Layer 1分級方法提供了一種可任選的方法，供PSE向PD發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號以確定PD的功率需求。然而，在802.3at規范中，目前指令要求Type 2 PSE至少應執行單事件硬件分級。 
除了硬件分級的升級之外，PoE+特別工作組還定義了一種被稱(chēng)為鏈路層發(fā)現協(xié)議(LLDP)的新型數據層(Layer 2)分級，用于實(shí)現PSE和PD之間的通信。一旦建立了一條鏈路，PSE和PD便能夠采用LLDP來(lái)確定PD的功率需求。LLDP的運用使得PSE能夠反復詢(xún)問(wèn)PD并確定PD的狀態(tài)及其功率需求。利用該機理，如今可以實(shí)現動(dòng)態(tài)功率分配，此時(shí)，PSE能夠連續地分配功率至PD(以0.1W為增量)，而且PD 可以提出請求，并隨后交出功率。通過(guò)Layer 2進(jìn)行的通信實(shí)現了用于獲得諸如峰值功率、平均功率和占空比等更多信息的高級功能。隨著(zhù)系統朝著(zhù)更“綠色”電源環(huán)境的方向發(fā)展，這種動(dòng)態(tài)功率分配肯定將成為一個(gè)重要的特點(diǎn)。LLDP是一種用于PSE的任選分級機理，但必需由PD來(lái)執行。如果PSE僅執行單事件分級，則PD可以通過(guò)LLDP協(xié)議來(lái)協(xié)商獲取較高的功率。圖1給出了PoE+采用的這兩種分級方法。 有兩類(lèi)PSE，即“中跨”和“端跨”。顧名思義，被稱(chēng)為“功率注入器” 的中跨控制器負責將功率注入現有的以太網(wǎng)電纜，并被放置于LAN交換器和受電設備之間。數據不經(jīng)修改地通過(guò)一個(gè)中跨PSE進(jìn)行傳送。由于無(wú)需更換交換器，因此這些控制器尤其便于現有網(wǎng)絡(luò )中的PoE安裝。另一方面，端跨設備則是一種具內置PoE能力的交換器(因而無(wú)需中跨)。當從頭開(kāi)始構建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )時(shí)，采用端跨PSE。由于中跨僅可以使用電源層，因此它們運用PoE+中的新型兩事件分級來(lái)表達高功率能力。LLDP使用數據層，因此端跨控制器可以選擇運用這種附加分級法來(lái)與PD協(xié)商功率。 對于PoE系統而言，有兩個(gè)截然不同用于定義功率的位置，即：PSE輸出連接器和PD輸入連接器。PoE+規范中更加重要的改進(jìn)之一是將電流的上限值規定為600mA�，F在，PSE必須要能夠連續提供至少600mA的電流和一個(gè)50V的最小輸出電壓。這轉化為一個(gè)30W的PSE輸出功率。電纜電阻的模型化設計值不大于12.5Ω，因而在PD連接器上產(chǎn)生了25.5W的可用功率。有必要把48V轉換效率考慮在內，這樣最終傳輸至PD負載的可用功率約為24.6W。 對于較高功率的需求當然是由市場(chǎng)驅動(dòng)的，而且目前對可提供超出現行12.95W限值的功率的PD電源解決方案的需求已經(jīng)很強烈�，F在許多高耗能網(wǎng)絡(luò )設備都提出了更高的功率要求。那么，電路設計師如何應對他所面臨的高功率需求呢？解決方案是：采用由凌力爾特(Linear)公司提供的并符合新型PoE+標準的PSE和PD產(chǎn)品進(jìn)行設計。這些產(chǎn)品滿(mǎn)足新標準所設定的功率限值，而且還可為專(zhuān)有應用提供更高的功率。 PoE+ PSE設計方案 目前所面臨的挑戰是 PSE制造商必需將高功率PoE+端口迅速投入實(shí)際應用。針對PoE+標準進(jìn)行現有PSE設計的升級需要滿(mǎn)足以下要求：能夠在不增加誤碼率的情況下接受更多偏置電流的改進(jìn)型以太網(wǎng)磁性元件；具較高截止電流門(mén)限的新型PSE控制器芯片；視所采用的控制器芯片的不同，有可能需要使用具較大安全工作區(SOA) 的較大MOSFET；較大的主電源；可能需要對各種各樣的元件(例如連接器、熔斷器、共模扼流圈、瞬態(tài)電壓抑制器二極管、電流檢測電阻器和EMI濾波器) 進(jìn)行升級以提供較高的電流。 所有這些元件在市面上均有供貨，而且802.3at磁性元件和芯片常�？梢院�(jiǎn)單地直接替代其802.3af同類(lèi)產(chǎn)品。盡管在將PSE從802.3af過(guò)渡至802.3at時(shí)需要進(jìn)行很多設計變更，但我們將重點(diǎn)關(guān)注有助于這種過(guò)渡的關(guān)鍵元件——PoE+ PSE控制器。 凌力爾特的LTC4266(見(jiàn)圖2)是市面上首個(gè)完全符合802.3at標準的四通道PSE控制器，而且向后兼容至廣受歡迎的802.3af器件 LTC4259A。LTC4266不僅為PD提供了新標準強制要求的功率級，而且還向后兼容最初的PoE標準，因而使得用戶(hù)能夠混合并匹配多達4個(gè)PoE 和PoE+ PD。如前文所述，為符合802.3at標準，一個(gè)PSE必須要能夠在PSE連接器的輸出端上提供30W功率，這樣在補償了電纜損耗之后可向PD輸送 25.5W功率。LTC4266可提供30W功率，但它是在大幅度降低熱耗散的情況下做到這一點(diǎn)的。 在設計下一代PSE時(shí)，應選擇一個(gè)能夠提供較高功率級、執行新的分級機理、提供一個(gè)能夠高效輸送功率的可靠PoE系統的PSE控制器。LTC4266具有極低的熱耗散，因而與那些集成了不太魯棒、且RDS(ON)通常較高的MOSFET的PSE控制器相比，其應用方案的熱設計得到了顯著(zhù)簡(jiǎn)化。LTC4266支持外部MOSFET，而且如果某個(gè)端口由于MOSFET失效發(fā)生故障，這種失效也不會(huì )產(chǎn)生“骨牌”效應而導致相鄰通道受到牽連。而這一點(diǎn)恰好是采用內部MOSFET時(shí)所擔心的。LTC4266的準確度允許采用低價(jià)值的檢測電阻器。更重要的是，在管理線(xiàn)路電流和電壓時(shí)還可采用低RDS(ON) MOSFET。由于阻值可以低至0.25Ω(對于檢測電阻器)和0.09Ω(對于MOSFET)，因而它的最大總通道電阻僅為其他PSE控制器的一半。這樣，熱耗散的顯著(zhù)降低，使得設計師能在未使用散熱器的情況下輕松、可靠地使用LTC4266。 采用凌力爾特完全符合IEEE802.3at標準的四通道PSE控制器的供電設備已經(jīng)投入使用�？稍诿總�(gè)端口上提供30W功率的中跨和端跨設備目前已有現貨供應。對于那些不愿意勞心費力地從零開(kāi)始設計的PSE設計師而言，由諸多供應商(包括Molex、Tyco和Belfuse公司)提供的新型PoETec PSE ICM (集成化連接器模塊)是一種理想的8端口和12端口替代解決方案(采用了LTC4266PSE控制器)。
PoE+ PD設計方案 PD側的802.3af至802.3at的過(guò)渡會(huì )稍簡(jiǎn)單一些，或者至少設計師所需考慮變更的元件較少，這是因為可能需要升級的僅有橋式整流元件、PD控制器、DC/DC控制器和變壓器，就基本可以滿(mǎn)足這PD負載的功率要求。相比于PSE，熱耗散在 PD中并不是大問(wèn)題，但仍需要優(yōu)先考慮功率效率。設計師還必須決定一個(gè)PD是否將能夠支持來(lái)自墻上適配器的輔助電源，或是否需要對PD負載進(jìn)行隔離。與 PSE升級至PoE+時(shí)相似，PD設計是否成功在很大程度上取決于PoE+ PD控制器。 為最大限度地提升PD的效率，必須做出某些關(guān)鍵決定。對于隔離型設計，最好避免使用轉換器反饋環(huán)路中常用的光耦合器。不過(guò)，最重要的決定或許是選擇一個(gè)可實(shí)現這些高效率方法的靈活PD控制器。作為一個(gè)基準點(diǎn)，凌力爾特的LTC4269為隔離型設計提供的效率水平達到了令人難忘的94%。 LTC4269是一款完全符合IEEE802.3at標準的PD控制器，而且是LTC4266的配套器件(見(jiàn)圖2)。LTC4269是一款具有一個(gè)集成開(kāi)關(guān)穩壓器的全功能PD控制器，并具有低至16V的輔助電源支持能力。盡管802.3at標準將PD功率的上限值規定為25.5W，但LTC4269并未設定電流限值，且能方便地提供30W以上的功率，從而造就了專(zhuān)有的功率級，并為實(shí)現超出PoE+標準規定范圍以外的PD功能開(kāi)辟了道路。LTC4269的可靠性通過(guò)集成一個(gè)魯棒型 100V熱插拔(Hot Swap)MOSFET得到了增強。該MOSFET負責在檢測和分級期間對PD控制器和DC/DC轉換器進(jìn)行隔離，并提供100mA的浪涌電流，以便在采用任何PSE的情況下實(shí)現平滑的上電變換。 為優(yōu)化PD設計，LTC4269提供了兩種版本。這兩種版本之間的差異在于所使用的特殊開(kāi)關(guān)電源。LTC4269-1集成了一個(gè)同步反激式控制器，而LTC4269-2則集成了一個(gè)同步正激式控制器。反激式轉換器提供了一種低元件數目設計，其優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)簡(jiǎn)單地增加繞組來(lái)獲得額外的輸出，而正激式控制器則可在較高的負載電流條件下提供略?xún)?yōu)于反激式控制器的效率。在這兩種場(chǎng)合中，同步整流均提供較高的輸出功率、提升的轉換效率和改善的交叉調節性能(在具有多個(gè)輸出的應用中)等好處。此外，在低噪聲系統設計中，還可以使控制器同步至一個(gè)外部振蕩器。 還有一點(diǎn)值得注意的是，LTC4269-1采用了凌力爾特公司的專(zhuān)利No-Opto(無(wú)光隔離器)反饋拓撲結構，以在無(wú)需增設光隔離器電路的情況下提供完整的IEEE802.3隔離(見(jiàn)圖3)。這消除了執行光耦合器反饋的缺點(diǎn)，包括由于光耦合器容差所導致的易變環(huán)路增益、高溫敏感性和較高的成本。反饋環(huán)路中使用的傳統光耦合器和并聯(lián)穩壓器被現有變壓器上的一個(gè)附加繞組所取代，旨在改善穩壓性能和效率并簡(jiǎn)化電路。
本文小結 PoE+ 標準為業(yè)已確立的PoE網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了更高功率和更好的分級方法。為與PoE+標準相符，一個(gè)PSE必須為數據或備用線(xiàn)對提供30W功率，而一個(gè)PD在 RJ45連接器輸入端上所吸取的功率一定不得超過(guò)25.5W。符合PoE+標準的PSE必須能夠執行單事件硬件分級，而新型兩事件分級和LLDP數據層分級則是可任選的高功率分級機理。在受電設備側，PD必須要能夠對兩事件分級(由PD控制器)和LLDP(由PD微處理器)做出響應。PoE+兼容型設計方案已經(jīng)投入使用。 凌力爾特的LTC4266和LTC4269是率先面市的新型PoE+設計，它們的推出使得PSE和PD制造商能生產(chǎn)出下一代設備。凌力爾特積極參與IEEE802.3at特別工作組的相關(guān)工作，并正在開(kāi)發(fā)更多符合IEEE802.3at標準的產(chǎn)品。表1完整地列出了凌力爾特發(fā)布的PoE+器件。這些新產(chǎn)品將為凌力爾特現有的PD產(chǎn)品提供一條引腳兼容型升級途徑，旨在實(shí)現至PoE+新標準的平穩過(guò)渡。凌力爾特的產(chǎn)品將繼續提供堅固型設計和經(jīng)過(guò)實(shí)地應用驗證的可靠性，并得到豐富技術(shù)經(jīng)驗的有力支持，而這是通過(guò)多年設計面向眾多應用的PoE產(chǎn)品積累起來(lái)的。
作者：凌力爾特公司混合信號產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)工程師 Christopher Gobok |
