PoE日趋成熟:PoE+

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作者: 凌力尔特公司混合信号产品部产品市场工程师 Christopher Gobok 

引言
2003年,针对以太网供电 (PoE) 的IEEE 802.3af标准为以太网开辟了一个新的应用领域,即通过以太网同时传输DC功率和10/100/1000Mbps数据。该标准规定了12.95W的标称传输功率,对于早期接受这项新技术的应用 (包括标准VoIP电话、安全摄像机和无线接入点WAP) 来说,该功率是绰绰有余的。自此之后,PoE基础设施在业界变得十分普遍。而且,人们对于附加功能和较高功率的需求也有了显著的增长。固定安全摄像机逐渐获得了全动感视频、无线接入点能够在更远的距离上提供更高的信号强度、而VoIP电话则可提供视频和外设支持。为了对功能的增加提供支持,这些受电设备 (PD) 需要从PSE (供电设备) 获取超过最初PoE标准规定限值的功率。人们开始考虑制定基于IEEE 802.3af规范的IEEE 802.3at (亦称PoE+) 标准,旨在适应新一波高功率应用的需求。

PoE+
需要进行谨慎工程设计的领域之一是将被用来实现PSE和PD相互识别的新型分级机理。伴随着这种相互识别,需具备以下能力,即:PSE可以正确地为802.3af (也称作Type 1硬件) 和802.3at (Type 2硬件) PD供电;可以由802.3at PSE来为802.3af PD供电;802.3at PD可以知晓它们是否具有其较高负载所需要的完整可用功率。每种组合都需要拥有一种明确定义和一致的工作特性,以保持802.3标准内部的互操作性。借助一种更加精细的硬件分级机理和一种新型数据层机理,这种相互识别能力在PoE+ 中得以实现。
PoE+ 增添了一种被称为“两事件分级”的新型硬件分级,并要求PSE必需重复进行两次802.3af电压探测。PD的每次电压探测都将导致吸收单个电流脉冲 (图1),这对应于一个特定的功率级。作为开始,PSE将在数据或备用线对上确定一个约15.5V至20.5V的电压脉冲。PD以一个高达40mA的电流做出响应,该电流把4种功率等级之一传送至PSE。双脉冲是一个发送至PD的指示信号,表明连接的PSE确实是一个高功率PSE,能够提供与802.3at功率相关联的较高功率级。802.3at PD以一个Class 4电流做出响应,由此向PSE传递这样的信息:自己是一个需要完整可用功率的高功率PD。802.3af中的Layer 1分级方法提供了一种可任选的方法,供PSE向PD发出询问信号以确定PD的功率需求。然而,在802.3at规范中,目前指令要求Type 2 PSE至少应执行单事件硬件分级。
 

图1:两事件分级和链路层发现协议

除了硬件分级的升级之外,PoE+ 特别工作组还定义了一种被称为链路层发现协议(LLDP) 的新型数据层 (Layer 2) 分级,用于实现PSE和PD之间的通信。一旦建立了一条链路,PSE和PD便能够采用LLDP来确定PD的功率需求。LLDP的运用使得PSE能够反复询问PD并确定PD的状态及其功率需求。利用该机理,如今可以实现动态功率分配,此时,PSE能够连续地分配功率至PD (以0.1W为增量),而且PD可以提出请求,并随后交出功率。通过Layer 2进行的通信实现了用于获得诸如峰值功率、平均功率和占空比等更多信息的高级功能。随着系统朝着更“绿色” 电源环境的方向发展,这种动态功率分配肯定将成为一个重要的特点。LLDP是一种用于PSE的任选分级机理,但必需由PD来执行。如果PSE仅执行单事件分级,则PD可以通过LLDP协议来协商获取较高的功率。图1示出了PoE+ 中所采用的这两种分级方法。


有两类PSE,即“中跨”和“端跨”。顾名思义,亦被称为“功率注入器”的中跨控制器负责将功率注入现有的以太网电缆,并被放置于LAN交换器和受电设备之间。数据不做修改地通过一个中跨PSE进行传送。由于无需更换交换器,因此这些控制器尤其便于现有网络中的PoE安装。另一方面,端跨设备则是一种具内置PoE能力的交换器 (因而无需中跨)。当从头开始构建一个新网络时,采用端跨PSE。由于中跨仅可以使用电源层,因此它们运用PoE+ 中的新型两事件分级来表达高功率能力。LLDP使用数据层,因此端跨控制器可以选择运用这种附加分级法来与PD协商功率。


对于PoE系统而言,有两个截然不同用于定义功率的位置,即:PSE输出连接器和PD输入连接器。PoE+ 规范中更加重要的改进之一是将电流的上限值规定为600mA。现在,PSE必须要能够连续提供至少600mA的电流和一个50V的最小输出电压。这转化为一个30W的PSE输出功率。电缆电阻的模型化设计值不大于12.5Ω,因而在PD连接器上产生了25.5W的可用功率。有必要把48V转换效率考虑在内,这样最终传输至PD负载的可用功率约为24.6W。


对于较高功率的需求当然是由市场驱动的,而且,目前对于可提供超出现行12.95W限值之功率的PD电源解决方案的需求已经很强烈了。眼下,有许多高耗能网络设备都提出了更高的功率要求。那么,电路设计师如何应对他如今所面临的高功率需求?解决方案是:采用由凌力尔特公司提供并符合新型PoE+ 标准的PSE和PD产品进行设计,这些产品顺应了新标准所设定的功率限值,而且还可为专有应用提供更高的功率。

PoE+ PSE
目前所面临的挑战是PSE制造商必需将高功率PoE+ 端口迅速投入实际应用。针对PoE+ 标准进行现有PSE设计的升级需要:
• 能够在不增加误码率的情况下接受更多偏置电流的改进型以太网磁性元件
• 具较高截止电流门限的新型PSE控制器芯片
• 视所采用的控制器芯片的不同,有可能需要使用具较大安全工作区 (SOA) 的较大MOSFET
• 较大的主电源
• 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) 进行升级以提供较高的电流

所有这些元件市面上均有供货,而且802.3at磁性元件和芯片常常可以简单地直接替代其802.3af同类产品。尽管在将PSE从802.3af过渡至802.3at时需要进行很多设计变更,但我们将重点关注有助于这种过渡的关键元件 —— PoE+ PSE控制器。


凌力尔特的LTC4266 (见图2) 是市面上首个完全符合802.3at标准的四通道PSE控制器,而且向后兼容至广受欢迎的802.3af器件LTC4259A。LTC4266不仅为PD提供了新标准强制要求的功率级,而且还向后兼容最初的PoE标准,因而使得用户能够混合并匹配多达4个PoE和PoE+ PD。如前文所述,为了符合802.3at标准,一个PSE必须要能够在PSE连接器的输出端上提供30W的功率,这样在补偿了电缆损耗之后可向PD输送25.5W的功率。LTC4266可提供该30W功率,但它是在大幅度降低热耗散的情况下做到这一点的。


在设计下一代PSE时,应选择一个能够提供较高功率级、执行新的分级机理并提供一个能够高效输送功率的可靠PoE系统的PSE控制器,这一点很重要。LTC4266具有极低的热耗散,因而与采用那些集成了不太坚固、且通常具有较高RDS(ON) 的MOSFET的PSE控制器所进行的设计相比,热设计得到了显著的简化。LTC4266支持使用外部MOSFET,而且,如果某个端口由于MOSFET失效的原因发生故障,那么这种失效将不会产生“骨牌”效应而导致相邻通道受到牵连,而这一点恰好是采用内部MOSFET时所担心的。LTC4266的准确度允许采用低价值的检测电阻器,而且更加重要的是,在管理线路电流和电压时还可采用低RDS(ON) MOSFET。阻值可以低至0.25Ω (对于检测电阻器) 和0.09Ω (对于MOSFET),因而提供了一个仅为其他PSE控制器一半的最大总通道电阻。因此,热耗散显著地降低了,从而使得设计师能够在未使用散热器 (如果需要的话) 的情况下轻松和可靠地使用LTC4266。


采用凌力尔特完全符合IEEE 802.3at标准的四通道PSE控制器的供电设备已经投入使用。可在每个端口上提供30W功率的中跨和端跨设备目前已有现货供应。对于那些不愿意劳心费力地从零开始设计的PSE设计师而言,由诸多供应商 (包括Molex、Tyco和Belfuse公司) 提供的新型PoETec PSE ICM (集成化连接器模块) 奉献了一款采用LTC4266 PSE控制器的上佳8端口和12端口直接替代型解决方案。


 
图2:LTC4266四通道PoE+ PSE控制器和具集成开关稳压器的LTC4269 PoE+ PD控制器

PoE+ PD
PD侧的802.3af至802.3at过渡会稍微简单一些,或者至少设计师所需考虑变更的元件较少,这是因为可能需要升级的仅有桥式整流元件、PD控制器、DC/DC控制器和变压器,这样PD负载的功率要求基本得以满足。相比于PSE,热耗散在PD中并不是什么大问题,但功率效率仍然需要给予优先考虑。设计师还必须决定一个PD是否将能够支持来自墙上适配器的辅助电源,或是否需要对PD负载进行隔离。与PSE升级至PoE+ 时相似,PD设计的成功在很大程度上取决于PoE+ PD控制器。


为了最大限度地提升PD的效率,必需做出某些关键的决定。对于隔离型设计,最好避免使用转换器反馈环路中常用的光耦合器。不过,最重要的决定或许是选择一个可实现这些高效率方法的灵活PD控制器。作为一个基准点,凌力尔特的LTC4269为隔离型设计提供的效率水平达到了令人难忘的94%。


LTC4269是一款完全符合IEEE 802.3at标准的PD控制器,而且是LTC4266的配套器件 (见图2)。LTC4269是一款具有一个集成开关稳压器的全功能PD控制器,并具有低至16V的辅助电源支持能力。尽管802.3at标准将PD功率的上限值规定为25.5W,但LTC4269并未设定电流限值,且能够方便地提供30W以上的功率,从而造就了专有的功率级,并为实现超出PoE+ 标准规定范围以外的PD功能开辟了道路。LTC4269的可靠性通过集成一个坚固型100V热插拔 (Hot SwapTM) MOSFET得到了增强,该MOSFET负责在检测和分级期间对PD控制器和DC/DC转换器进行隔离,并提供100mA的浪涌电流,以在采用任何PSE的情况下实现平滑的上电变换。
为了优化PD设计,LTC4269提供了两种版本。这两种版本之间的差异在于所使用的特殊开关电源。LTC4269-1集成了一个同步反激式控制器,而LTC4269-2则集成了一个同步正激式控制器。反激式转换器提供了一种低元件数目设计,其优点是可通过简单地增加绕组来获得额外的输出,而正激式控制器则可在较高的负载电流条件下提供略优于反激式控制器的效率。在这两种场合中,同步整流均提供了较高的输出功率、提升的转换效率和改善的交叉调节性能 (在具有多个输出的应用中) 等好处。此外,在低噪声系统设计中,还可以使控制器同步至一个外部振荡器。


还有一点值得注意的是,LTC4269-1运用了凌力尔特公司的专利No-Opto (无光隔离器) 反馈拓扑结构,以在无需增设光隔离器电路的情况下提供完整的IEEE 802.3隔离 (见图3)。这消除了执行光耦合器反馈的缺点,包括由于光耦合器容差所导致的易变环路增益、高温敏感性和较高的成本。反馈环路中使用的传统光耦合器和并联稳压器被现有变压器上的一个附加绕组所取代,旨在改善稳压性能和效率并简化电路。


图3:具集成同步No-Opto反激式开关稳压器的LTC4269-1 PoE+ PD控制器

结论
PoE+ 标准为业已确立的PoE网络产业带来了更多的功率和更好的分级方法。为了与PoE+ 标准相符,一个PSE必须为数据或备用线对提供30W的功率,而一个PD在RJ45连接器输入端上所吸取的功率一定不得超过25.5W。符合PoE+ 标准的PSE必须要能够执行单事件硬件分级,而新型两事件分级和LLDP数据层分级则是可任选的高功率分级机理。在受电设备侧,PD必须要能够对两事件分级 (由PD控制器) 和LLDP (由PD微处理器) 做出响应。PoE+ 兼容型设计方案已经投入使用。


凌力尔特的LTC4266和LTC4269是率先面市的新型PoE+ 设计,它们的推出使得PSE和PD制造商能够生产出下一代设备。凌力尔特积极参与IEEE 802.3at特别工作组的相关工作,并正在开发更多符合IEEE 802.3at标准的产品。表1完整地罗列了凌力尔特发布的PoE+ 器件。这些新产品将为凌力尔特现有的PD产品提供一条引脚兼容型升级途径,旨在实现至PoE+ 新标准的平稳过渡。凌力尔特的产品将继续提供坚固型设计和经过实地应用验证的可靠性,并得到丰富技术经验的有力支持,而这是通过多年设计面向众多应用的PoE产品积累起来的。

表1:凌力尔特的PoE+ 产品系列