高效的以太網(wǎng)供電解決方案降低了總體成本

　　IEEE 802.3at 規(guī)范定義的以太網(wǎng)供電 （PoE） 是通過一條 CAT-5 以太網(wǎng)電纜安全地傳輸應用數(shù)據(jù)和電源的方法。由于它支持靈活地在任何地方安裝設備，沒有在附近提供交流電源的限制，也不需要電工進行安裝，因此，它得到了廣泛應用。最初的 IEEE 802.3af PoE 規(guī)范限制了供電至受電設備 （PD） 的功率只有 13W，這也就限制了設備的應用范圍，例如 IP 電話和基本安防攝像機等。在 2009 年，IEEE 802.3at 規(guī)范將支持的功率增大到 25.5W。但是，這還是無法滿足功率要求越來越高的 PoE 應用需求，例如，微微蜂窩基站、無線接入點、LED 標牌和加熱云臺變焦 （PTZ） 室外攝像機等。在 2011 年，凌力爾特公司發(fā)布了新的專有標準 LTPoE++?，將 PoE 和 PoE+ 規(guī)范擴展到 90W 供電，同時還維持與 IEEE PoE 標準 100% 的兼容。它支持四種不同的功率等級 （38.7W、52.7W、70W、90W），可以根據(jù)應用要求來調(diào)整電源供電。

　　LTPoE++ 供電設備 （PSE） 采用了更智能的PSE隔離體系結構，以減少元器件數(shù)量，盡量少使用昂貴的外部元器件。全面的電纜放電保護和 80V 絕對最大值的引腳保證了現(xiàn)場工作的高可靠性。采用外部 FET 使散熱性能可滿足應用需求，提高了系統(tǒng)效率，增強了長期可靠性。LTPoE++ 體系結構只需要一個 PSE 和 PD 控制器，就能夠通過 4 對 100m CAT-5e 電纜提供 90W 的功率。

　　系統(tǒng)隔離要求

　　要實現(xiàn)以太網(wǎng)供電，需要仔細的選擇體系結構和元器件，以降低系統(tǒng)成本，同時提高性能和可靠性。一個成功的設計必須滿足IEEE隔離要求，在短路和過流事件時保護 Hot Swap? FET，或者符合 IEEE 規(guī)范。PoE 規(guī)范清楚地闡述了隔離要求，在 PD 應用電路中，確保斷開接地環(huán)路，維持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)完整性并降低噪聲。

　　傳統(tǒng)的 PSE 隔離體系結構在主機至 PSE 控制器接口處隔離數(shù)字接口和電源。光耦合器等數(shù)字隔離單元本質(zhì)上非常昂貴而且不可靠。能夠?qū)崿F(xiàn)隔離功能的IC成本非常高，不支持 I2C 高速傳送。而且，對 PSE 邏輯供電的隔離 DC/DC 轉換器增大了電路板面積和系統(tǒng)成本。

　　輕松實現(xiàn)隔離

　　凌力爾特公司的 12 端口 （LTC4270 / LTC4271） 和 8 端口 PSE （LTC4290 / LTC4271） 芯片組采用了不同的 PSE 隔離方法，將所有的數(shù)字功能遷移到隔離邊界的主機側 （圖1）。這極大的降低了所需元器件的成本和復雜性。不再需要單獨的隔離 DC/DC 電源；LTC4271數(shù)字控制器可以使用主機的邏輯電源。LTC4271 使用變壓器隔離通信方法控制 LTC4290 或 LTC4270。低成本和廣泛應用的以太網(wǎng)變壓器對可替代 6 個光耦合器。在協(xié)議中編程實現(xiàn)含有端口管理、復位和快速端口關斷功能的I2C通信機制，從而降低了輻射能量，提供 1500V 的隔離。

　　圖1： LTC4290 / LTC4271芯片組實現(xiàn)了隔離功能，不需要任何光隔離器以及專用隔離DC/DC 轉換器

　　可靠的電纜放電保護功能

　　考慮 PoE 設計的可靠性非常重要，特別是處理大量的電纜、高電壓、大電流或者高溫的情況。凌力爾特公司在這方面經(jīng)驗豐富，設計了低成本、大吞吐量的電路保護方案，能夠靈活的調(diào)整滿足 IEC61000電纜放電電壓要求。只需要一個 TVS 來保護高電壓模擬電源，而在每一個輸出端口上采用一對低成本箝位二極管 （圖 2）。端口上的二極管引導有害的浪涌進入電源軌中，它們被浪涌抑制器以及VEE旁路電容吸收掉。浪涌抑制器還有保護 PSE 控制器不受 VEE 供電瞬變影響的優(yōu)點。凌力爾特的 PSE 控制器在所有模擬引腳上還有 80V 絕對最大額定限制，實現(xiàn)了對瞬變的保護。

　　圖 2： 可靠的電纜放電保護

　　降低功耗

　　凌力爾特的第四代 PSE 和 PD 控制器與 IEEE 802.3at 規(guī)范完全兼容，而且 LTPoE++ 功率達到了 90W，同時通過使用低 RDS（ON） 外部 MOSFET 和 0.25Ω 檢測電阻減小了熱耗散。這對于大功率系統(tǒng)非常重要，在這些系統(tǒng)中散熱設計和功率損耗的成本非常高，對于功率受限的應用也非常重要，這些應用要求在功率預算內(nèi)盡可能提高工作功率。集成了 MOSFET 的 PSE 和 PD 控制器具有較高的 RDS（ON） 參數(shù)，由于在器件內(nèi)部散熱，因此，很難進行散熱設計。對一個端口的損害會導致整個芯片受損。

　　LT4275 （圖 3） 是市場上唯一能夠控制外部 MOSFET 的 PD 控制器，極大的降低了 PD 總熱耗，提高了功效，這對于較大功率應用非常重要。這一創(chuàng)新的方法支持用戶調(diào)整 MOSFET 以滿足應用的散熱和效率要求，支持使用 30mΩ 量級的低 RDS（ON） MOSFET。LT4275 能夠支持高達 90W 的功率。

　　一個 TVS 和 100V 絕對最大端口引腳足以保護電纜放電事件。LT4275 工作在較寬的 -40°C 至 125°C 溫度范圍，具有過溫保護功能，在瞬時過載時保護器件。采用這一更強大的保護功能，很容易就可體驗可靠的應用。

　　圖 3： LTPoE++ PD 控制器使用外部 MOSFET 以提高了功效

　　LTPoE++ 是怎樣工作的

　　LTPoE++ 使用了 3 事件分級機制，在 PSE 和 PD 之間提供互識別信號，同時維持了與 IEEE 802.3at 標準的后向兼容。通過 PD 對 3 事件分級機制的響應，LTPoE++ PSE 確定 PD 是 1 類 （PoE）、2 類 （PoE+），還是 LTPoE++ 器件。LTPoE++ PSE 使用 3 事件分級機制導致 ICUT 和 ILIM 門限更新。PSE 使用 ICUT 門限監(jiān)控 PD 電流消耗。在嚴重的電流故障時，ILIM 用作硬電流限制，以保護 PSE 電源供電。

　　在另一端，LTPoE++ PD 使用它收到的分級事件號，確定連接 1 類、2 類，還是 LTPoE++ PSE。如果 LTPoE++ PSE 測量到 PD 的第一個分級事件電流是 0 級、1 級、2 級，或者3 級，LTPoE++ PSE 把端口作為 1 類器件進行供電。否則，如果在第一個分級事件中，識別到 4 級，LTPoE++ PSE 會繼續(xù) PoE+ 規(guī)范定義的第二個分級事件。這告訴 PD，它連接至 2 類或LTPoE++ PSE。沒有第二個分級事件表明了 PD 連接至 1 類 PSE，這限制為 1 類供電。

　　2 類 PD 物理層分級由 IEEE 定義為兩個連續(xù) 4 級結果。一個LTPoE++ PD 必須在第一和第二個分級事件中顯示兩個連續(xù) 4 級結果，使得 LTPoE++ PD 呈現(xiàn)為 2 類 PD 至 2 類 PSE。

　　在第一和第二個分級事件中，在有效的 4 級測量后，LTPoE++ PSE 會遷移到第三個分級事件上。兩次成功的 4 級測量后，進行第三次分級事件。第三次分級事件必須轉換到不同于 4 級的其他級別，把 PD 識別為支持 LTPoE++。在第三個分級事件過程中，LTPoE++ PSE 認為維持 4 級的 PD 是 2 類 PD。對于所有分級事件，IEEE 802.3at 標準要求兼容 2 類 PD 重復 4 級響應。第三個分級事件告訴 LTPoE++ PD，它連接至 LTPoE++ PSE。表 1 顯示了各種 PD 功率的分級事件組合。

　　LTPoE++ 即插即用解決方案

　　LTPoE++ 提供安全和可靠的即插即用解決方案，極大的降低了 PSE 和 PD 的工程復雜性。LTPoE++ 相對于其他電源擴展拓撲的優(yōu)點在于只需要一個 PSE 和 PD 便能夠在一條 CAT-5e 電纜上提供 90W 功率，大幅度節(jié)省了空間，降低了成本，縮短了開發(fā)時間。LTPoE++ 解決方案減少了材料和相關的元器件成本，還提供目前功效最高的端到端解決方案，顯著降低了總體擁有成本，增大了對實際應用的供電，同時降低了熱耗，不需要高成本的散熱器設計。

　　LTPoE++ 最突出的一點是，對于軟件級功率協(xié)商，它不需要使用 IEEE PoE+ 規(guī)范制定的鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議 （LLDP）。LLDP 要求擴展標準以太網(wǎng)堆棧，需要很大的軟件開發(fā)投入。LTPoE++ PSE 和 PD 自主地協(xié)商功率要求以及硬件級能力，同時保持了與基于 LLDP 解決方案的完全兼容。這樣，LTPoE++ 系統(tǒng)設計人員能夠選擇是否實現(xiàn) LLDP。專用端到端系統(tǒng)可能會選擇放棄 LLDP 支持。這帶來了產(chǎn)品及時面市優(yōu)勢，而且還降低了 BOM 成本，減小了電路板面積和復雜性。

　　第四代的高級特性

　　凌力爾特的以太網(wǎng)供電 PSE 控制器系列在 PoE 經(jīng)驗上非常成熟和專業(yè)，已受供貨的 2 億多端口支持。新的第四代特性包括支持設計未來不會過時的現(xiàn)場更新固件?？蛇x 1 秒電流平均是另一新特性，簡化了主機電源管理功能。高級電源管理特性包括優(yōu)先級快速關斷、12 位每端口電壓和電流回讀、8 位可設置電流限制、以及 7 位可設置過載電流門限等。一個 1MHz I2C 接口支持主機控制器對 IC 進行數(shù)字配置，或者進行隊列端口讀取操作。提供 “C” 庫，以降低工程成本，使產(chǎn)品盡快上市。

　　結論

　　凌力爾特提供業(yè)界功耗最低的單端口、4 端口、8 端口和 12 端口 PSE 控制器，還提供堅固的 ESD 和電纜放電保護功能，減少了元器件數(shù)量，實現(xiàn)了高性價比設計。與LT4275 PD 控制器相結合，一個完整的即插即用 LTPoE++ 系統(tǒng)能夠提供 90W 功率，同時保持了與 PoE+ 和 PoE 標準的完全兼容。整個解決方案使用了外部低 RDS（ON） MOSFET，以極大地降低 PD 總熱耗散，提高了功效，這對于所有功率級都非常關鍵。所有模擬引腳的高值絕對最大額定電壓和高性價比電纜放電保護功能確保了器件受到很好的保護，不受最常見以太網(wǎng)電壓浪涌的損害。LTPoE++ 系統(tǒng)簡化了功率輸送，幫助系統(tǒng)設計人員將設計精力集中在高價值應用中。