标准化的PSE模块简化了开关设计

分享到:

作者:凌力尔特公司混合信号产品部产品市场经理 Alison Steer

IEEE 即将完成 PoE+ 标准的制定,而网络设备制造商则正在抓紧进行其设计的升级换代。不过,完成这种过渡将会面临挑战。一种新型业界标准 PSE 模块大大降低了上述工作的难度,加快了产品的面市进程,并简化了测试。

PoE+ 标准近在咫尺
在过去短短几年时间里,以太网供电 (PoE) 市场取得了巨大的成长。PoE 几乎达到了无所不在的地步,在世上具 PoE 功能的开关数以百万计。


PoE 的主要应用仍然是对 IP 电话和无线接入点进行远程供电。工程师们一直梦想着在其他许多应用中运用 PoE,但可用功率之少常常令这些梦想落空。按照最初的 IEEE 802.3af 标准,一部受电设备 (PD) 仅能吸取不超过 12.95W 的功率。


IEEE 即将改善这种状况,因为业界翘首期盼的 802.3at 修订版 (有时被称为 PoE+) 很快就要制定完毕了。该最新修订版将提高功率限值,从而允许一部 PD 吸取高达 25.5W 的功率,并使众多的大批量应用成为可能,例如:左右-变焦-俯仰 (PZT) 摄像机、多媒体信息查询台、工业控制器和笔记本电脑电池充电器。

完成向PoE+的过渡
目前面临的挑战是让供电设备 (PSE) 制造商迅速推出那些高功率 PoE+ 端口。在高功率 PSE 端口可以广泛使用之前,高功率 PD 将不会得到普及。


针对 PoE+ 标准来进行现有PSE设计的升级将需要:
 能够在全千兆位线路速率条件下获得较大偏置电流 (而误码率并未增加) 的改良型以太网磁性元件
 具较高截止电流门限的新型PSE控制器芯片
 有可能需要具较大安全工作区 (SOA) 的较大 MOSFET,这取决于所使用的控制器芯片
 较大的主电源
 有可能需要对各种各样的元件 (例如:连接器、熔断器、共模扼流圈、瞬态电压抑制器二极管、电流检测电阻器、和 EMI 滤波器) 进行升级,以支持较高的电流


这些元件市面上有售,供应商们试图在可能的情况下尽量地使其新型 PoE+ 磁性元件和芯片成为 802.3af 元件的简单直接替代品。然而不幸的是,针对 PoE+ 来进行PSE设计的升级将很少会像变更材料清单那么简单;通常情况下,必需对 PCB 布局进行重大变更。


例如:采用分立型以太网磁性元件的设计有可能需要变更布局。用于把来自 RJ45 连接器的千兆位以太网数据和功率传输至变压器的印制线必须具有受控阻抗,而且还必须足够粗,以传输增加的电流。许多现行设计在内层上采用单端 50Ω 印制线,它通常宽 6 密耳,使用 0.5 盎司铜;有些设计则采用了宽度更窄的紧密耦合差分印制线。虽然这些布局或许曾在 802.3af 标准规定的 400mA 电流条件下正常运作,但在 802.at 标准规定的 600mA 电流条件下则可能存在着发生过热的严重风险。因此,一个 PoE+ 开关有可能需要在外层上布设这些印制线,这里,50Ω 线宽通常为 8~10 密耳。而且,在镀覆之后,表面层通常为 1.5 盎司。


但是,开关设计师所面临的难题还不止这些:热耗散的增加可能需要增设风扇或采用风力更强劲的风扇;整个行业都面临着提高网络设备能量效率的压力;而且升级后的 PSE 设计将不得不重复鉴定和认证测试。上述的所有任务将会给开关设计师施加一项沉重的负担,而在许多场合中,这些设计师早已是不堪重负了。


一种解决方案是采用一个多端口 PSE 模块。目前市场上已经有一些用于 802.3af PSE 的模块组件,具体形式为 DIMM 卡或内置PSE端口电路的电源。但是,这些类型的模块给设计师留下了某些重大的难题,因为它们并不包括以太网磁性元件或 RJ45 连接器。必须谨慎地通过磁性元件将以太网信号从连接器传输至 PHY 芯片,而且必须把功率从变压器中心抽头传输至 PSE 端口电路。如上所述,这会是很棘手的:保持受控阻抗、保持针对高电位的裕度、而且使印制线足够粗 (以在最坏情况热条件下传输最大电流) 并非无足轻重的琐事。

PSE集成连接器模块
或许最精巧的方法是把所有的 PSE 电路和以太网磁性元件都内置于一个联动连接器组件之中。这将真正地简化电路板的布局工作,因为所有的以太网信号引脚均位于变压器的 PHY 侧;它们不传输 DC 电流,因此您无须担心每平方印制线的 Ω 值,而且也不必对保持针对高电位的裕度有什么担忧。只需像普通的阻抗受控印制线那样将这些信号直接传输至 PHY 芯片即可。


有些这样的 PSE 模块已可用于 802.3af 开关,但是它们的主要缺点之一是缺乏标准化。每家供应商的产品都有其特殊的占板面积和电特性。一旦您选择了某家制造商,则将受困于他们的设计方案。


但这种情况如今有所变化,这多亏了 PoETec。PoETec 是一家由网络设备和组件领先制造商组成的协会,致力于促进和推广 PoE 技术。PoETec 已经制定了一套用于业界首款标准化 PSE 模块的规范,而且不久就将公布于众,他们将这款模块称为 PSE 集成连接器模块 (PSE-ICM)。该规范定义了 PSE-ICM 特性的所有方面,包括占板面积、信号功能和内部寄存器组。因此,采用某品牌 PSE-ICM 的 PSE 设计能够简单地直接更换另一品牌的 PSE-ICM,而无需变更电路板布局或系统软件。


图 1 示出了由某家供应商提供的一款 12 端口 PSE-ICM。在撰写本文时,两家 PoETec 成员公司 (Molex 和 Tyco Electronics) 正在发运 PSE-ICM,另两家公司则即将启运。目前,市面上销售的有 12 端口和 8 端口 PSE-ICM;16 端口 PSE-ICM 可能不久即将面市。另外,还有带 LED 和不带 LED 的版本。不含 PSE 电路 (仅含磁性元件) 的无源模块市面上也有供应。

 
图 1:12 端口 PSE-ICM (照片公开经 Tyco Electronics 公司同意)

    图 2 示出了一款 12 端口 PSE-ICM 的简化方框图。它包括一个用于控制和监视 PSE 功能的隔离 I2C 接口。另外,还内置了共模扼流圈和终端 (但图中未示出)。主电源和一个用于运行电源管理软件的外部微处理器便是全部之所需。该 PSE-ICM 还可以被配置为 AUTO 模式,在这种模式中实现了独立运作。在该模式中,无需使用外部微处理器。
 
 图2:方框图

    PSE-ICM 的实用性是利用一些相当先进的技术得以实现的,而在一年以前可能还无法以一种合理的成本进行制作。一项关键的实现技术是由凌力尔特公司提供的新型 LTC4266 四通道 PSE 控制器芯片。在业界所有的四通道 PSE 控制器当中,LTC4266 的封装最小 (5mm x 7mm QFN),功耗最低:在 600mA 电流条件下每个端口的功耗仅为 165mW (包括电流检测电阻器和 MOSFET 接通电阻)。此外,LTC4266 还拥有一种独特的非线性折返功能,可保护模块免遭短路故障的损坏;如果没有此项功能,则将需要采用具较大安全工作区 (SOA) 的较大 MOSFET,旨在可靠地支持较高的电流水平。

PSE-ICM的优点
目前,开关设计师面临着许多非常棘手的工程挑战。所有的数字和软件工作均具有足够的难度,而无须担心模拟问题。例如:高电位、EMI、UL 认证、雷涌保护和热耗散是一些常常在项目接近尾声时突然出现问题的领域,而在此时再来这些解决问题是最费钱和耗时的。事实上,这些很可能是导致产品未能如期投放市场的最常见的原因。


PSE-ICM 的主要优点是其业已通过了所有这些测试。因此,它不仅减轻了开关设计师的工作负担,而且还降低了在最后时刻发生问题的风险。当然,由于 PSE-ICM 外部的布局问题,仍然有可能造成开关达不到高电位或EMI规格的要求,不过出现这种情况的机率下降了。


另外,由于存在多家供应商,因此PSE-ICM还降低了发生故障的风险。这不单造就了价格竞争力,而且也降低了延期交货(当元件采用唯一供应商时,这种现象时有发生)的风险。


不良的技术支持也会导致项目延期和成本超限。假设您正在测试一款新的PSE原型,而其中的一个 MOSFET 出现过热。该故障的起因是 MOSFET 失效还是控制器芯片失灵? 这两种器件的供应商将很有可能相互指责,而您的项目实施则会进一步落后于预定计划。但采用 PSE-ICM 就不会出现上述相互指责的情况;如果感觉某品牌的 PSE-ICM 好像不可靠,您大可换用另一品牌的 PSE-ICM,而无需变更电路板布局或软件。

成本问题
当然,在网络设备行业中,成本的地位是至高无上的。有些设计师可能只看了一眼 PSE-ICM就说它的价格过于昂贵,但是,精明的设计师将不会如此匆忙地下结论。现实的目标是降低总成本;这很少会像选择最便宜的器件那么简单。


图 3 示出了分立型设计与采用 PSE-ICM 的设计的定性成本比较,在分立型设计中,设计师把所有的 PSE 组件 (控制器芯片、FET、磁性元件等) 均置于主板上。该曲线图旨在说明以下三点:
 两种可选方案的成本都随着时间的推移而下降
 当新技术问世时,成本会出现骤降
 分立型方法的材料成本将始终略低一些

 
图 3:PSE 成本随时间推移的变化情况

考虑一下第二点。PSE-ICM 的主要优点之一是它使得您能够更加容易地跟上不断发展的技术并利用由此实现的各种节省。例如:当推出一款降低了成本的新型芯片时,在分立型设计中使用该芯片可能很困难,因为将需要一种新的PCB布局。但是,当把该芯片内置于一款新型 PSE-ICM 时,您完全可以将其直接安放于电路板上,因为 PSE-ICM 的焊脚并没有变化。


现在来看第三点。虽然分立型方法的材料成本略低,但 PSE-ICM 却提供了诸多的附加值,从而弥补了成本方面的差距。例如:


 较短的面市进程。有些产品的市场需求只有 8 到 12 个月的时间,随后便会被废弃。哪怕这样一款产品的推出仅推迟了 2 个月 (比如:由于 PCB 布局问题的原因),则来自该产品的总收入将严重缩水。PSE-ICM 能够极大地降低出现这些延迟的风险,而这具有应被计算在内的经济价值。


 较低的组件和测试成本。显然,PSE-ICM 降低了组件的成本,不过,它降低测试成本的好处不应被忽视。采用分立型方法的设计师必须开发足以捕获组装过程中可能出现的所有缺陷的测试装置和软件:至少将需要检验基本功能,比如:检测、分级和断接检测。所有这些功能在 PSE-ICM 中均进行了预先测试;唯一必需进行的测试将是要确定:在把 PSE-ICM 装在电路板上时不存在弯曲引脚或无效焊接。只需通过在所有端口上运行以太网流量并核实 PSE-ICM 发出确认信号 (当通过 I2C 总线对其进行寻址时),您就获得了几乎全面的保护。


 较低的配置管理成本。例如:可提供采用相同焊脚、但没有 PSE 电子线路的 PSE-ICM。这意味着开关制造商能够设计两个采用相同主板的产品 (一个具 PoE 功能的开关和一个不具备 PoE 功能的开关);唯一的差别是所装入的 PSE-ICM 的类型。

结论
由于新的 IEEE 802.3at 标准的制定工作即将完成,许多公司都在准备推出其新款 PoE+ 产品。在这种设计师面临着一长串技术难题和一波竞争产品即将面市的环境中,缩短设计周期对于赢得成功将会是至关重要的。
PSE-ICM 能够极大地加快产品的面市进程,并提供了其他许多本文所描述的优点。早期模块的两个主要缺点是缺乏标准化和成本偏高,但新的 PoETec 业界标准克服了这两个缺点:网上已经公布了多个供货源,而且更多即将会出现。新型 PSE-ICM 的成本已低于其早期同类产品,而随着时间的推移,竞争和技术进步将推动成本进一步下降。