陳俊鵬

摘 要：本文介紹了以太網(wǎng)網(wǎng)口的基礎(chǔ)，POE的工作原理和工作過程。介紹了一種PD設(shè)備電源管理芯片LTC4257 1 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并根據(jù)其工作原理實(shí)現(xiàn)一種符合GB4943.1 2011 標(biāo)準(zhǔn)要求的輔助測試設(shè)備，能讓POE網(wǎng)口滿功率輸出的受電設(shè)備負(fù)載裝置。

關(guān)鍵詞：IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)；POE；供電設(shè)備；受電設(shè)備；LTC4257 1 芯片；負(fù)載裝置

0 引言

POE即以太網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)，由電氣與電子工程師協(xié)會(huì)于2003年6月發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3af，它在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上將直流電源耦合進(jìn)以太網(wǎng)技術(shù)，可以同時(shí)為接入的滿足要求的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)和提供電源。隨著近幾年互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)概念開始興起，萬物互聯(lián)的時(shí)代即將到來。各式各樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)家居產(chǎn)品相繼面世，特別是一些有線接入的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如IP電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、LED照明燈、無線接入設(shè)備等，在接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要額外布置電源線和插座，給這些設(shè)備安裝帶來了諸多的不便。而帶POE功能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器就可以為這些設(shè)備直接供電，所以帶POE功能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器的需求也越來越多。這些帶POE網(wǎng)口的供電設(shè)備在認(rèn)證中需滿足GB4943.1 2001 標(biāo)準(zhǔn)或IEC 62368 1：2018 標(biāo)準(zhǔn)的要求：受試設(shè)備要在正常工作的最嚴(yán)酷條件下進(jìn)行試驗(yàn)[1]和“向其他設(shè)備供電的設(shè)備的輸出電力，除直接與電網(wǎng)電源連接的插座和電氣插座外，要接上最不利的負(fù)載阻抗，包括短路[7]”。這就要求帶POE供電網(wǎng)絡(luò)的受試設(shè)備的POE網(wǎng)口要滿負(fù)荷帶載試驗(yàn)，在沒有符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)備激活POE網(wǎng)口的情況下，很難對POE網(wǎng)口帶載，而普通的受電設(shè)備（如IP電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）又不能使POE端口滿負(fù)載輸出。所以設(shè)計(jì)一款符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的能使POE設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端口滿負(fù)載輸出的負(fù)載裝置在產(chǎn)品的認(rèn)證測試中就顯得極其重要。

1 以太網(wǎng)供電技術(shù)的介紹

1.1 以太網(wǎng)基礎(chǔ)

一般的交換機(jī)或路由器網(wǎng)口都采用RJ45端口，傳輸介質(zhì)一般為無屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）。UTP內(nèi)含8跟導(dǎo)線，每根導(dǎo)線直徑約0.5 mm2， 兩兩相絞在一起，形成4對，采用不同的顏色區(qū)分。RJ45端口與UTP連接一般采用TIA/EIA（電信工業(yè)協(xié)會(huì)/電子工業(yè)協(xié)會(huì)）568B標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了UTP線對2和線對3（共4芯線）分別做發(fā)射和接收，分別接在RJ45端口的針腳1（Tx +，發(fā)射正）、針腳2（Tx ， 發(fā)射負(fù)）和針腳3（Rx +，接收正）、針腳6（Rx ，接收負(fù)）[3]，而其他線對處于空閑狀態(tài)，如圖1所示。

設(shè)備入網(wǎng)時(shí)，將兩端都是RJ45插頭的UTP網(wǎng)線分別連接到網(wǎng)卡和交換機(jī)的RJ45插座上，但網(wǎng)卡的發(fā)送/接收信號線必須與交換機(jī)的接收/發(fā)送信號線交叉相連，以保證網(wǎng)卡的接收端連接到交換機(jī)的發(fā)送端，網(wǎng)卡的發(fā)送端連接到交換機(jī)的接收端，如圖2所示。UTP線上的發(fā)送和接收線對是分開的，這樣就不會(huì)在同一UTP線對上出現(xiàn)發(fā)送信號和接收信號沖突的現(xiàn)象，而且采用了一種沖突檢測機(jī)制，當(dāng)檢測到發(fā)送線對和接收線對同時(shí)有信號時(shí)，就認(rèn)為產(chǎn)生沖突而停止工作。

1.2 POE的工作原理

POE（power over ethernet）是指在原有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，為一些有線接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（IP電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、LED照明燈、無線接入設(shè)備等）提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮椭绷麟娫吹募夹g(shù)。POE系統(tǒng)包括：提供電源的供電設(shè)備（power sourcing equipment，PSE）和使用電源的受電設(shè)備（PD，power device）。PSE即POE系統(tǒng)中提供電源的設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對輸出端口功率的規(guī)劃和管理。PSE的供電方式有兩種：中跨方式（midspan）和端跨方式（endspan）。中跨方式是在以太網(wǎng)設(shè)備外部接入1個(gè)擴(kuò)展的電源設(shè)備，原有傳輸信號的線對保持不變，利用雙絞線中未使用的備用線對給設(shè)備供電。而端跨方式是將供電的控制電路集成到以太網(wǎng)設(shè)備中，在以太網(wǎng)供電控制電路的控制下，把電源加在以太網(wǎng)端口隔離變壓器的中心抽頭，利用UTP線的傳輸線對為設(shè)備供電，或者利用UTP線中未使用的備用線對給設(shè)備供電[2]。PD設(shè)備是接收供電的PSE負(fù)載，即POE系統(tǒng)的客戶 端[3]，本文所要實(shí)現(xiàn)的負(fù)載裝置即PD設(shè)備。

POE供電系統(tǒng)的主要供電參數(shù)為[4]：

1）供電電壓為（4457） V ，一般為48 V；

2）最大啟動(dòng)電流為500 mA，允許的最大電流為550 mA，工作的電流一般為：（10350） mA ，過載時(shí)的檢測電流為（350500） mA ；

3）在空載條件下，最大電流不超過10 mA；

4）為受電設(shè)備（PD）提供（3.8412.95） W 5個(gè)等級功率請求，最大不超過13 W[4]。

POE供電系統(tǒng)的工作過程為：

1）檢測：PSE設(shè)備的端口輸出一個(gè)很小的檢測電壓，直到檢測到連接在線纜終端的設(shè)備是一個(gè)滿足IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備。

2）PD設(shè)備的分類：當(dāng)檢測到滿足要求的PD設(shè)備后，PSE設(shè)備開始為PD設(shè)備分類，并根據(jù)PD設(shè)備的要求分配功率等級。

3）開始供電：在一個(gè)小于15 μs的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，PSE設(shè)備開始從低壓開始為PD設(shè)備供電直到提供48 V的直流電壓為止。

4）供電：PSE設(shè)備始為PD設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的48 V直流電源，并滿足PD最大不超過13 W的功率消耗。

5）斷電：當(dāng)PD設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上斷開時(shí)，PSE設(shè)備會(huì)快速地在（300400） ms 時(shí)間內(nèi)停止位PD設(shè)備供電，并重復(fù)步驟1檢測線纜終端是否有滿足要求的受電設(shè)備[4]。

當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到帶POE功能的PSE設(shè)備時(shí)，PSE設(shè)備會(huì)先檢測接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否符合供電要求，若不符合POE標(biāo)準(zhǔn)則只進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)轭~外的供電可能會(huì)損壞該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。檢測過程是PSE給接入的設(shè)備提供一個(gè)電流受限的（2.010.0） V 的電壓，用于檢測該設(shè)備是否有符合POE標(biāo)準(zhǔn)的25 k 特性電阻。只有檢測到滿足要求的特性電阻，PSE設(shè)備才會(huì)提供48 V直流電壓。接著PSE設(shè)備會(huì)根據(jù)PD設(shè)備的功率請求進(jìn)行分類，以高效的方式同時(shí)為不同PD設(shè)備供電。PSE設(shè)備開始供電后，會(huì)持續(xù)地監(jiān)測PD設(shè)備的電流輸入，當(dāng)PD斷開連接或輸入電流小于10 mA時(shí)，PSE設(shè)備會(huì)停止供電并一直重復(fù)檢測過程。

標(biāo)準(zhǔn)的UTP線中有四對雙絞線，但是在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)只用到其中的2對（線對2和線對3），POE通過線纜供電時(shí)可以通過沒有使用的備用線對進(jìn)行供電，也可以用數(shù)據(jù)引腳進(jìn)行供電，兩種供電的電路如圖3所示。當(dāng)使用備用引腳進(jìn)行供電時(shí)，4、5引腳接為正極，7、8引腳接為負(fù)極；當(dāng)使用數(shù)據(jù)引腳供電時(shí)，是將DC電源加在網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭上，它是以共模輸出的方式加在雙絞線上，因而不會(huì)影響差模數(shù)據(jù)的傳輸，該方式下兩數(shù)據(jù)引腳線對是可以任意極性的。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)中不允許同時(shí)使用上述兩種情況，PSE設(shè)備只能提供一種供電方式，但是PD設(shè)備必須自動(dòng)適應(yīng)兩種供電方式。

2 受電設(shè)備負(fù)載裝置的實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入PSE設(shè)備時(shí)，PSE會(huì)監(jiān)測接入的設(shè)備是否滿足IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD設(shè)備，只有滿足要求的PD設(shè)備，PSE才會(huì)為PD供電。所以設(shè)計(jì)的負(fù)載裝置必須是滿足IEEE 802.3af的PD設(shè)備。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，國際芯片公司紛紛推出了具有自己特色的以太網(wǎng)供電管理芯片。對于PD設(shè)備的電源管理芯片比較出名的有：德州儀器（T1）的TP2370/TP2371/TP2375/TP23750、ADI公司的LTC4257/LTC4257-1/LTC4267、美信公司（Maxim，2021年被ADI收購）的MAX5940A/MAX5940B/MAX 5941A/MAX5941B等[3]。本文受電設(shè)備負(fù)載裝置采用的是ADI公司的LTC4257 1 芯片。LTC4257 1 芯片具有可編程的分級電流、良好的互補(bǔ)電源輸出、內(nèi)置25 k 特征電阻、過熱保護(hù)機(jī)制、欠壓閉鎖保護(hù)等特性，其封裝和內(nèi)部原理如4所示[6]：

由圖3可知，PSE設(shè)備有兩種供電方式，且當(dāng)使用數(shù)據(jù)線對進(jìn)行供電時(shí)，電源的極性是任意的，作為受電設(shè)備負(fù)載裝置必須適應(yīng)兩種方式，且能自動(dòng)識別出電源的正負(fù)極。負(fù)載裝置設(shè)計(jì)時(shí)可用二極管整流橋識別出電源的極性，同時(shí)用兩個(gè)同樣的二極管整流橋組成的邏輯或電路來適應(yīng)兩種PSE供電方式，如圖5所示。

LTC4257 1 的工作模式根據(jù)輸入電壓來決定，輸入引腳VIN的電壓以引腳GND為參考點(diǎn)，引腳GND的電壓必須大于引腳VIN的電壓，才能保證芯片正常工作。下面我們根據(jù)LTC4257 1 的各個(gè)工作模式情況來實(shí)現(xiàn)負(fù)載裝置的電路設(shè)計(jì)。

偵測階段：一開始供電設(shè)備提供一個(gè)（2.010.0） V 的電壓給受電設(shè)備負(fù)載裝置，用于探測負(fù)載端是否有25 k 的特性電阻，若存在，這負(fù)載裝置是滿足PSE供電要求的PD設(shè)備。有圖4可知，在GND引腳和VIN引腳間串聯(lián)著一個(gè)9 k 和16 k （共25 k ）的特征電阻。而在16 k 電阻上又并聯(lián)一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管，柵極外接到芯片的SIGDISA引腳。可以通過SIGDISA引腳來控制MOS管，即控制GND引腳和VIN引腳間的阻值，從而控制受電設(shè)備是否能被監(jiān)測到。本次設(shè)計(jì)的負(fù)載裝置希望一接到PSE設(shè)備時(shí)就能被監(jiān)測到，這時(shí)只要將SIGDISA引腳連接到VIN引腳即可。

分級階段：當(dāng)PSE設(shè)備監(jiān)測到滿足供電要求的負(fù)載時(shí)，PSE設(shè)備將對負(fù)載裝置進(jìn)行功率分配，以滿足不同功率要求的負(fù)載裝置。一旦PSE探測到負(fù)載端有25 電阻時(shí)，PSE的電壓上升到15.5到20.5 V之間。由圖4可知，此時(shí)GND引腳和RCLASS引腳導(dǎo)通，在RCLASS引腳和VIN引腳接入一個(gè)RCLASS電阻，此時(shí)PSE端可監(jiān)測通過RCLASS電阻的電流來對負(fù)載裝置進(jìn)行功率分級。分級探測電路如圖6所示，功率分級和RCLASS電阻上的電流關(guān)系如表1所示。從表1可知，為了使PSE設(shè)備滿最大功率輸出，RCLASS的取值應(yīng)為45.3（ ，1%）。在分級階段，VIN引腳和VOUT引腳間的MOS管始終是截止的，即VOUT端沒有電壓輸出，能量沒有傳遞到芯片的后端。整個(gè)分級過程滿足IEEE 802.3af的要求在75 ms內(nèi)完成，以保證LTC4257 1 不會(huì)因?yàn)榉旨墪r(shí)間過長消耗大量能量而過熱保護(hù)。

供電階段：在偵測階段和分級階段后，PSE供電電壓持續(xù)升高，當(dāng)GND引腳和VIN引腳間的電壓大于ULVO閾值時(shí)，GND引腳和VIN引腳間的MOS管導(dǎo)通，LTC4257 1 將能量傳遞到后面的負(fù)載端，如圖7所示。

斷電階段：PSE設(shè)備有兩種方法來檢測PD是否斷開：直流斷路檢測方法：當(dāng)PSE設(shè)備在檢測到PD設(shè)備的電流在給定的時(shí)間內(nèi)TDIS（300400） ms 保持低于閾值IMIN（5 10） mA 時(shí)，就認(rèn)為PD設(shè)備是斷開的，PSE設(shè)備就會(huì)停止供電；交流斷路檢測方法：PSE設(shè)通過向端口施加一個(gè)交流電壓，并監(jiān)測PD設(shè)備的輸入電流，從而計(jì)算出PD設(shè)備的交流輸入阻抗，只有當(dāng)交流阻抗小于26.2 k ，才認(rèn)為有PD設(shè)備相連，否則斷開電路停止供電。

在認(rèn)證測試過程中，按GB4943.1 2011標(biāo)準(zhǔn)要求：帶POE功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須在滿負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行安規(guī)測試，以保證在最大功率下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也滿足認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求的。所以受電設(shè)備的負(fù)載裝置，必須使POE設(shè)備的端口滿負(fù)載輸出12.95 W，而一般POE輸出電壓是48 Vdc，從而可求得負(fù)載裝置的負(fù)載電阻約為178 ， 考慮到電阻前端的電路會(huì)有功率消耗，負(fù)載電阻采用4個(gè)5 W/47 的水泥電阻，其實(shí)現(xiàn)電路如圖8所示。圖中的D10為LED燈，用于指示該端口是否被PSE設(shè)備激活。一般帶POE功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有多個(gè)POE網(wǎng)口，所以受電設(shè)備的負(fù)載裝置也要有多個(gè)的PD負(fù)載，單個(gè)端口就有近13 W的功率，且負(fù)載端用的都是純阻抗，發(fā)熱量大，需要風(fēng)扇進(jìn)行散熱。本負(fù)載裝置風(fēng)扇采用DATA1238B8M風(fēng)扇，規(guī)格為48 Vdc，0.23 A，風(fēng)扇為可選配置，根據(jù)負(fù)載的發(fā)熱情況選擇性接入。由圖8可知：當(dāng)未接入風(fēng)扇時(shí)，Q1是導(dǎo)通的，POE電壓直接給水泥電阻供電，當(dāng)接入風(fēng)扇時(shí)，Q1截止，斷開了水泥電阻，POE電壓給風(fēng)扇供電。這樣就保證了單個(gè)POE網(wǎng)口都滿足以最大功率輸出，不會(huì)出現(xiàn)過載的情況。

隨著PD設(shè)備功能和種類的增多，功率也越來越大，IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的12.95 W的POE供電已經(jīng)無法滿足大功率PD設(shè)備，這也制約著POE技術(shù)向其他領(lǐng)域發(fā)展，為了解決POE功率限制和更好地發(fā)展POE應(yīng)用，IEEE制定了IEEE 803.3at標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)允許PD設(shè)備功率提高到25 W甚至更高的功率。目前國際芯片公司也推出了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的PD電源管理芯片，其工作原理和運(yùn)用方式與IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的芯片大致相同，本文不再贅述。

3 結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是萬物互聯(lián)的當(dāng)代，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需求也越來越大，設(shè)備的功率也越來越大。特別是帶POE功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于本身自帶供電功能，給連接的受電設(shè)備帶來的方便，省去了電源布線的繁瑣。但是功率越大的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也存在更大的安全隱患，特別是帶多個(gè)POE網(wǎng)口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，功率可達(dá)上千瓦。大功率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶來的是更大的發(fā)熱而引起的安全隱患，還有在大功率輸出狀態(tài)下和高溫狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電氣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不好。所以在做安全認(rèn)證時(shí)，必須保證這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在滿負(fù)載輸出時(shí)也符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)橹挥性谧顕?yán)酷的條件下滿足安規(guī)要求，才能保證在任何功率下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求。所以能使POE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備滿負(fù)載輸出功率的受電設(shè)備負(fù)載裝置在安規(guī)認(rèn)證中是不可缺少的輔助測試設(shè)備。

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