符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)供電方案

海程大學(xué)信息與電氣學(xué)院 劉緒兵 吳學(xué)智

引言

2003年6月IEEE批準(zhǔn)了802.3af標(biāo)準(zhǔn)，它明確規(guī)定了遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的電力檢測和控制事項，以太網(wǎng)供電PoE(power-over-Ethernet)市場由此獲得一針強(qiáng)心劑。該標(biāo)準(zhǔn)對路由器、交換機(jī)和集線器通過以太網(wǎng)電纜向IP電話、安全系統(tǒng)以及無線LAN接入點等設(shè)備供電的方式進(jìn)行了規(guī)定。在終端部分添加PoE性能，平均來說將使成本額外增加70%；而在網(wǎng)絡(luò)部分，預(yù)計一臺支持PoE的交換機(jī)成本不會比常規(guī)以太網(wǎng)端口額外再高出25%；現(xiàn)有的設(shè)備安裝表明，由于去掉了另外的電氣布線和電源插座，PoE可使總成本節(jié)省50%。批準(zhǔn)PoE標(biāo)準(zhǔn)將極大地推動芯片供應(yīng)商為膝上型電腦和便攜式電腦設(shè)計芯片組的趨勢，這類電腦要求PoE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低于12.95瓦的低功耗性能，隨著這些設(shè)備變得不太耗電以及以太網(wǎng)供電成為大多數(shù)企業(yè)IT環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，人們在旅行時將不再需要帶上多種不同的插頭。相反，RJ45插口將成為一種通用電源插口。據(jù)估計在今后五年內(nèi)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的75%以上將實現(xiàn)由以太網(wǎng)供電。當(dāng)前應(yīng)用中45%的端口是用于IP電話，45%用于WLAN接入點，其余用于安全攝像機(jī)。

概述

日前，德州儀器公司 (TI)憑借的系統(tǒng)電源管理技術(shù)，面對新興的"以太網(wǎng)供電" 市場推出首款電源管理集成電路 (IC)。這兩枚新型IC通過一條標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線纜即可提供直流電源 (DC) 并傳輸數(shù)據(jù)，不僅極大降低了系統(tǒng)成本，而且為以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)人員提供了更強(qiáng)的功能與更高的可靠性。作為電源供電設(shè)備(PSE:power-sourcing-equipment)與被供電器件（PD:powered-device）之間的接口，TI 新型 TPS2370 電源接口IC通過對電流運算完成PD發(fā)現(xiàn)、分類以及對傳輸狀況進(jìn)行管理，TPS2370 還為欠壓鎖定、浪涌電流限定以及對符合新標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要的開關(guān)場效應(yīng)晶體管 (FET) 控制等提供綜合的解決方案。內(nèi)部 0.3 的 FET 不僅可傳遞電流，而且還可實現(xiàn)的系統(tǒng)散熱性能。通過標(biāo)準(zhǔn) I2C 串行接口對TPS2383進(jìn)行寄存器的讀寫可以完成對該芯片的所有操作。TPS2383標(biāo)配了五個選址引腳，因此單個主 I2C 控制器能對多達(dá)32個器件進(jìn)行尋址，實現(xiàn)多達(dá) 256 個以太網(wǎng)端口的單獨監(jiān)控。

TPS2370可用于：VoIP電話；WLAN接入點；網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)；安全性系統(tǒng)；POS終端。

TPS2383可用于：以太網(wǎng)交換機(jī)；路由器；集線器；中跨設(shè)備（Mid-span）。

TPS2370與TPS2383簡介

TPS2370主要特征：

提供PD檢測與分類信號；提供到DC-DC的軟啟動接口；過流、過壓、過熱保護(hù)，自動恢復(fù)；8引腳 SOIC、TSSOP封裝。

對TPS2370 的檢測與分類

PD通過PSE對PD檢測運算來獲得或者請求供電。該數(shù)學(xué)運算要求PSE去查找網(wǎng)絡(luò)鏈路以獲取有效的PD。首先，PSE送出2.8V～10V的電壓到網(wǎng)絡(luò)鏈路，有效的PD檢測到此電壓后就將一個23.75k ～26.25k 電阻置于供電回路上，電流就會隨輸入電壓而變化。通過檢測該電流，PSE就知道在以太網(wǎng)線纜終端有一個有效的PD需要供電。如果放置的電阻阻值在12k ～23.75k 或26.25k ～45k 范圍內(nèi)，PSE則認(rèn)為PD有效但不需要供電，其它范圍的電阻值則意味著無效的PD檢測。

PD檢測有效之后，PSE就對PD進(jìn)行分類。PSE將送到網(wǎng)絡(luò)鏈路上的電壓升高到如下范圍：15.5V～20.5V，PD使用內(nèi)部的調(diào)節(jié)器產(chǎn)生固定的電壓施加到PD的CLASS引腳，此引腳與VEE之間接有分類電阻（RCLASS），由此得到一固定電流，因而實現(xiàn)了PD分類。PSE根據(jù)PD分類決定PD常規(guī)操作所需的功率。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了五個不同的分類，如表1。

TPS2370對DC-DC的軟啟動

TPS2370的EN_DC輸出引腳可用作DC-DC變換器的軟啟動。在供電回路FET開啟的初階段，一個內(nèi)部的80 A電流源施加在該引腳，在負(fù)載電容充電電壓達(dá)到1.5V左右時，電流源即被移除。通過將該輸出連到DC-DC變換器的軟起動電容上，使得DC－DC變換器在啟動期間不動作。一旦通過DC－DC變換器的電壓超過1.5V直到滿電壓，DC-DC才被允許軟起動。
此外，該引腳也可以作為電源直接輸出，此時需要一個1M 的外部上拉電阻。為了將輸出電壓限制在建議的電平上，建議在該引腳與RTN引腳之間接一個5V的齊納二極管。

TPS2383主要特征

12位實時電流與電壓測量；AC斷線檢測功能；提供I2C串行接口光隔離或標(biāo)準(zhǔn)I2C串行接口；每個端口狀態(tài)雙色LED驅(qū)動；受控的加電去電電流變化率以減少對系統(tǒng)的電磁輻射干擾；64引腳LQFP封裝。

TPS2383概要

TPS2383可以發(fā)現(xiàn)PD并進(jìn)行分類和傳送電流。芯片可以對八個以太網(wǎng)端口進(jìn)行電源管理，每個端口分配五個引腳：電源正負(fù)極兩個引腳，對外接N溝道MOSFET的控制引腳一個，端口電阻檢測引腳一個，端口狀態(tài)的LED驅(qū)動引腳一個。I2C總線引腳有三個，一個為時鐘輸入，數(shù)據(jù)輸入輸出各一個，這樣設(shè)計的目的是為了使用光耦來實現(xiàn)電氣隔離，如果將這兩根數(shù)據(jù)線短接，則與時鐘輸入線構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線，還有五個地址輸入端來確定該I2C器件的地址。其它引腳則為模擬地、數(shù)字地、電壓輸入輸出引腳以及用來連接外部電阻、去耦電容等。

I2C總線的操作

對TPS2383的控制通過I2C總線進(jìn)行，每片TPS2383有五個地址設(shè)定引腳，因而在一條I2C總線上可以尋址32片TPS2383，對多達(dá)256個以太網(wǎng)端口進(jìn)行電源管理。對TPS2383的I2C總線操作時序見圖1。

在進(jìn)行寫操作時，首先發(fā)送一個字節(jié)的器件地址：A7-A0，其中A7、A6留作以后擴(kuò)展使用，A5－A1即為每片TPS2373的硬件地址，A0決定是讀操作還是寫操作。然后向器件發(fā)送一個字節(jié)的寄存器和端口地址，發(fā)送數(shù)據(jù)，芯片內(nèi)部的寄存器和端口地址具體分配如表2：

在進(jìn)行讀操作時，首先發(fā)送一個字節(jié)的器件地址：A7-A0，定義同上，然后向器件發(fā)送一個字節(jié)的寄存器和端口地址，隨后再發(fā)送器件地址，緊接著在數(shù)據(jù)線上就可以收到芯片送出的八位數(shù)據(jù)，寄存器和端口地址分配同上。
對寄存器的讀寫操作主要是按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行電流檢測、設(shè)備分類、開關(guān)FET控制、浪涌電流限制、加電去電電流緩沖、LED驅(qū)動模式設(shè)定等功能。

TPS2370與TPS2383的應(yīng)用

TPS2370的典型應(yīng)用

TPS2370設(shè)計用于以太網(wǎng)終端設(shè)備的供電，它首先通過變換器以及整流橋獲得所需的直流電源，然后將該直流電源進(jìn)行必要的處理再送至DC-DC變換器獲得以太網(wǎng)設(shè)備所需要的穩(wěn)定的直流電源。典型應(yīng)用電路圖見圖2。

TPS2383的典型應(yīng)用

TPS2383的供電電壓為單48V。芯片輸出標(biāo)準(zhǔn)10V（V10）電壓，芯片還需要提供VL（3.3V）以及V5（5V）電源，因為VL、V5靜態(tài)電流非常小，所以通過DC-DC變換器將芯片輸出的V10變換為V5電源，VL電源則通過一個4.22k 電阻連到V5來獲得。芯片自身需要一個控制器通過I2C總線來控制，一般選用MSP430控制器。如果控制器需要電氣隔離的話，則在芯片與控制器的總線間加上三只光耦即可。圖3給出了I2C總線、電源去耦等連接簡圖，圖中只畫出了一個以太網(wǎng)端口的電源管理接口。

TPS2383 與TPS2370的典型應(yīng)用

圖4 給出了該系列IC比較完整的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖，加黑的和淺淡的兩根線即為以太網(wǎng)供電電流回路。TX、RX為以前的以太網(wǎng)驅(qū)動接口所必需的變換器。為了實現(xiàn)以太網(wǎng)供電還要添加帶中間抽頭的變換器，供電電流在發(fā)送或接收回路上分別各自抵消，這樣就不會對收發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。供電一側(cè)的兩個抽頭接至圖3右側(cè)的P1、P2即可；受電端的兩個變換器抽頭經(jīng)過整流橋送至圖2左側(cè)的輸入端即可。在5類UTP線纜上供電距離可達(dá)350英尺。

結(jié)論

以太網(wǎng)電源是一項被迫切需求的技術(shù)，它經(jīng)歷了較長的時間才得以登臺亮相，這項新技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿?，它將有利于提高新產(chǎn)品在市場上的接受率。3Com 公司已經(jīng)推出的SuperStack 3 Switch 4400 PWR就是一種24口10/100以太網(wǎng)供電交換機(jī)，索尼也將于10月份上市支持IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)“SNC-Z20N”?？梢灶A(yù)見：采用以太網(wǎng)電源技術(shù)的各種網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在市場上將被熱烈追捧，而傳統(tǒng)的不支持該技術(shù)的產(chǎn)品將逐步淡出市場。