以太網(wǎng)供電應(yīng)用拓展設(shè)計升級，PoE中的PSE與PD

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）PoE被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)或有源以太網(wǎng)，有時也被簡稱為以太網(wǎng)供電。以太網(wǎng)供電PoE是一項(xiàng)歷史悠久且被廣泛采用的供電技術(shù)，PoE利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。該技術(shù)簡化了很多終端設(shè)備的安裝，并提供了電源冗余和平滑電源轉(zhuǎn)換等功能。

功率提升，PoE快速發(fā)展

早期PoE多用在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP電話、Wi-Fi連接的無線接入點(diǎn)和IP攝像頭這類應(yīng)用中，通過100 m的標(biāo)準(zhǔn)CAT5以太網(wǎng)電纜為終端設(shè)備注入電力，功率在25.5W發(fā)送和30W。隨著PoE條款802.3bt標(biāo)準(zhǔn)推出，并引入了以太網(wǎng)聯(lián)盟EA徽標(biāo)計劃，此后PoE的應(yīng)用開始在各個領(lǐng)域快速發(fā)展。PoE條款802.3bt標(biāo)準(zhǔn)推出，也就是PoE 90W的供電方案發(fā)布之后，供電功率水平從25.5W和30W（接受/發(fā)送）提高到了71.3W和90W（接受/發(fā)送），通過四對CAT5雙絞線電纜供電。

擴(kuò)展負(fù)載輸入端功率范圍的好處是顯而易見的，更多的應(yīng)用可以與PoE相匹配，現(xiàn)在例如HMI等新的終端設(shè)備都開始PoE進(jìn)行供電。在智能照明、工業(yè)照明、醫(yī)學(xué)成像、專業(yè)音視頻設(shè)備和數(shù)字標(biāo)牌等等應(yīng)用領(lǐng)域里，PoE應(yīng)用開始快速地增長。尤其是智能家居照明和工業(yè)照明領(lǐng)域，PoE的應(yīng)用不僅提高了電能的使用效率，還為照明設(shè)備添加了連接功能。PoE加持下的設(shè)備不僅僅提供基礎(chǔ)的照明功能，還能夠集成多種傳感器，成為一個多功能節(jié)點(diǎn)。

PoE中的PSE與PD

PoE設(shè)計中供電設(shè)備PSE和受電設(shè)備PD的互操作性以及是否符合802.3bt標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。在以前的PoE中，一個電源通道就足以為每個PoE端口供電，現(xiàn)在不僅增加了電源通道用以實(shí)現(xiàn)不同等級的電平，還需要提高每個通道的功率密度。

在供電設(shè)備PSE和受電設(shè)備PD的IC上大家一般都會選擇參與了802.3bt標(biāo)準(zhǔn)與以太網(wǎng)聯(lián)盟徽標(biāo)計劃的廠商來做，這樣在互操作性和合規(guī)性上更有把握。出色的PSE和PD控制器能給開發(fā)人員能夠提供完整的端到端PoE系統(tǒng)。

PSE設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)非常多，浪涌和電纜放電、系統(tǒng)級的隔離需求、LED照明支持、復(fù)雜802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的變更、端口混合設(shè)計、多樣的寄存器接口、熱效率以及功率輸出效率等等。將數(shù)字和模擬組件組合起來，以解決系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

TI的90W PSE設(shè)計里采用了可配置的系統(tǒng)固件解決方案FirmPSE，提供了一種完全可配置的解決方案用于控制系統(tǒng)，可提供多達(dá)48個4線對PoE電源端口的。每個端口的專用14bit ADC進(jìn)行持續(xù)的端口電流監(jiān)控（2%精度），并執(zhí)行并行分級測量，從而實(shí)現(xiàn)更短的端口開啟時間?？紤]到尺寸、效率以及散熱，設(shè)計采用了外部FET架構(gòu)（200mΩ），而且芯片組±2.5%可編程功率限制精度可以將PoE最大功率從90W擴(kuò)展到125W以上。

該設(shè)計里與之匹配的PD接口芯片則配置了可靠的100V熱插拔MOSFET，具有符合PSE浪涌要求的帶浪涌延遲的PG輸出。該芯片的自動維持功率特性能自動調(diào)節(jié)新標(biāo)準(zhǔn)下PSE的MPS并支持多種需要極低功耗待機(jī)模式的應(yīng)用。

ADI作為PoE領(lǐng)域的帶頭人之一也設(shè)計了非常多高端口數(shù)量的PSE芯片以及PD控制器。目前推的LTC9101帶閃存數(shù)字控制＋LTC9102/9103模擬控制的PSE系統(tǒng)是大型PSE系統(tǒng)常見的可拓展性設(shè)計，根據(jù)功率需要確定端口數(shù)量。
LTC9101是芯片組的核心，每個LTC9102/LTC9103電源通道都采用專用的檢測和分級硬件以保證電源路徑的高效率和耐用性。這可以大幅降低交換芯片中的上電延遲，使PSE不容易受到PD延遲影響。同樣的，為了降低功耗，也采用了外部MOSFET來控制電源通道。

與之相對應(yīng)的PD控制器設(shè)計上，有些PD控制器集成了高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以簡化設(shè)計。除了提供更多的PD功率之外，采用外部功率MOSFET更是進(jìn)一步地大幅降低總體PD散熱量并提高了電源效率。

小結(jié)

隨著PoE在智能照明、醫(yī)學(xué)成像、專業(yè)音視頻設(shè)備和數(shù)字標(biāo)牌等等非傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域里快速普及，PSE和PD的設(shè)計難度也大大增加，PoE系統(tǒng)需要比以往提供更多的端口數(shù)、更先進(jìn)的電源管理、更高的電源效率以及更低的散熱。