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    以太網(wǎng)供電(PoE)為數(shù)據(jù)終端、無(wú)線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭或網(wǎng)絡(luò)電話之類連接到以太網(wǎng)端口的設(shè)備提供一種有效的電源解決方案。在以太網(wǎng)供電應(yīng)用中，電源管理器件在以太網(wǎng)交換機(jī)和PoE“中跨”集線器中以及用電設(shè)備的DC-DC電源中用來(lái)轉(zhuǎn)換電壓和電流。本文作者介紹了如何用電源管理器件在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、用電設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高性能供電。 

圖1：向后兼容以太網(wǎng)交換機(jī)的"中跨"式集線器

    由于每一個(gè)設(shè)備僅需要一套線纜，簡(jiǎn)化了連接各個(gè)設(shè)備的布線，并降低了布線成本；
 
    省去交流電源線以及交流適配器，使得工作環(huán)境更加安全、整潔并且開銷更低；

    可以很容易地將設(shè)備從一處搬移到另一處； 
   
    當(dāng)交流主電源發(fā)生故障時(shí)，可以用不間斷電源向設(shè)備繼續(xù)供電； 
   
    連接到以太網(wǎng)的設(shè)備可以被遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    正是這些優(yōu)點(diǎn)使得PoE成為一項(xiàng)從本質(zhì)上改變了低功耗設(shè)備供電方式的全新技術(shù)。能通過PoE技術(shù)供電的設(shè)備不勝枚舉，可以在www.poweroverethernet.com網(wǎng)站上查看其具體的門類與品種。但是，當(dāng)下推動(dòng)PoE總有效市場(chǎng)增長(zhǎng)(TAM, Total Available Market)的主力是兩類用電設(shè)備：WLAN接入點(diǎn)和VoIP電話。到2007年，前者的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將為38%，達(dá)到1,500萬(wàn)臺(tái)(數(shù)據(jù)來(lái)源：iSuppli)。同時(shí)間，支持后者的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)預(yù)期將達(dá)到300萬(wàn)單位。而這些用電設(shè)備的需求反過來(lái)也推動(dòng)著現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機(jī)升級(jí)，從而具備支持PoE的能力。這可以通過使用下圖中所示的“中跨”方案解決。據(jù)預(yù)測(cè)，這些設(shè)備的增長(zhǎng)到2007年可以達(dá)到800萬(wàn)臺(tái)，達(dá)到68%的增長(zhǎng)。

    在這些例子中，通過在網(wǎng)絡(luò)中加入將電源注入雙絞線LAN電纜的“中跨”(midspan)PoE集線器使原先的以太網(wǎng)交換機(jī)具備PoE功能。新的以太網(wǎng)交換機(jī)將會(huì)包括這里提到的“中跨”集線器的功能，向通過高速數(shù)據(jù)電纜與其連接著的用電設(shè)備(PD)供電。這些用電設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)攝像頭、VoIP電話、WLAN接入點(diǎn)以及其它電器。如果主電源發(fā)生故障，UPS將提供備用電源。

    電源管理器件在以太網(wǎng)交換機(jī)中的應(yīng)用

    最新的以太網(wǎng)交換機(jī)能夠通過其24或48個(gè)獨(dú)立的端口向用電設(shè)備提供PoE連接，并且還具有與非PoE系統(tǒng)“向后兼容”的能力。每臺(tái)用電設(shè)備都使用其自身的48V輸入電源供電，每臺(tái)設(shè)備最大允許功耗為15.4W，以太網(wǎng)交換機(jī)可以對(duì)每臺(tái)設(shè)備的供電功率單獨(dú)進(jìn)行管理。

    IEEE802.3af PoE標(biāo)準(zhǔn)最多允許在每臺(tái)用電設(shè)備消耗大約13W的功率，而以太網(wǎng)交換機(jī)提供的最大15.4W的功率是為了彌補(bǔ)長(zhǎng)電纜帶來(lái)的一定程度損耗。在用電設(shè)備端，48V電源的實(shí)際電壓值可以在36-57V范圍內(nèi)。高達(dá)最大開關(guān)電壓兩倍左右(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)允許開關(guān)尖峰等)的電壓要求必須采用額定VDS為100V的分立MOSFET。

圖2：熱插拔控制器

    PoE控制器通常指的是“熱插拔”(Hot Swap)控制器，這些IC的功能包括：
 
    分別控制四個(gè)獨(dú)立的PoE端口； 

    檢測(cè)有效的用電設(shè)備的連接狀況； 

    (使用低阻值的檢測(cè)電阻)監(jiān)控MOSFET的穩(wěn)態(tài)電流； 

    當(dāng)用電設(shè)備剛剛連接到一個(gè)端口時(shí)，控制浪涌電流以及MOSFET的功耗； 

    具備低電流斷開檢測(cè)功能以確定用電設(shè)備是否斷開連接。

    在正常工作下，當(dāng)一個(gè)端口已經(jīng)供電并且用電設(shè)備的旁路電容已經(jīng)充電到端口電壓，外部MOSFET的功耗非常低。這意味著較小的MOSFET就能用來(lái)完成這個(gè)功能。然而，IEEE802.3af的其它要求，例如加電時(shí)的浪涌電流以及不兼容的用電設(shè)備連接到端口的風(fēng)險(xiǎn)，要求MOSFET能承受很大的瞬態(tài)功耗。正是基于這些原因，才選用了分立MOSFET而不是集成方案。

    對(duì)于用在以太網(wǎng)交換機(jī)中的MOSFET的更進(jìn)一步的要求是在關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流非常低。IEEE802.3af要求每端口絕對(duì)最大漏電流不得高于12(A，而且這個(gè)要求還包括了除MOSFET之外其它可能存在的保護(hù)電路的泄漏途徑。飛利浦半導(dǎo)體的MOSFET就是被設(shè)計(jì)成為符合此項(xiàng)要求的，其最大漏電流僅為1A。

    電源管理器件在用電設(shè)備中的使用

    用電設(shè)備的框圖如圖3所示。來(lái)自以太網(wǎng)電纜的直流電源通過二極管橋式整流器恢復(fù)，因此消除了用電設(shè)備電路電壓極性加反的可能性。當(dāng)一個(gè)設(shè)備接入到一個(gè)PoE端口時(shí)，以太網(wǎng)交換機(jī)就執(zhí)行一個(gè)“發(fā)現(xiàn)”程序以確定這是一臺(tái)被設(shè)計(jì)用來(lái)接受以太網(wǎng)供電的設(shè)備，還是不支持PoE的老式設(shè)備。

    當(dāng)用電設(shè)備斷開時(shí)，也會(huì)執(zhí)行“發(fā)現(xiàn)”程序。之所以需要這個(gè)發(fā)現(xiàn)程序的原因是將高電壓(48V)連到許多過去的設(shè)備上時(shí)會(huì)造成設(shè)備損毀。

    有鑒于此，電壓與已有的傳統(tǒng)設(shè)備兼容時(shí)，“發(fā)現(xiàn)”才會(huì)發(fā)生，只有在“發(fā)現(xiàn)”成功后才能提供高電壓直流電源。IEEE802.3af的“發(fā)現(xiàn)”機(jī)制基于特征阻抗檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

    通過確定從每個(gè)端口吸取的功率，供電設(shè)備(PSE) 能借助系統(tǒng)電源管理協(xié)議，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)供電的輸出能力決定其所能支持的用電設(shè)備總數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這種電源管理，要在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)加入一種稱為“分類”的可選方法。“分類”方法可以讓用電設(shè)備向以太網(wǎng)交換機(jī)或“中跨”集線器報(bào)告其最大功率需求，因此電源管理協(xié)議能將未用的功率分配給其他端口，從而充分利用電源容量。

圖3：用電設(shè)備框圖

    一旦“發(fā)現(xiàn)”過程完成，且接口控制器確定電源電壓在容許范圍內(nèi)時(shí)，接口控制器的MOSFET會(huì)開啟，電源就施加到隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器要能在用電設(shè)備前端和PD電路的其他部分間提供1,500V的隔離(這是一個(gè)安全特性)，向這些電路的輸入端提供一個(gè)或多個(gè)較低的直流電壓，其總的最大功耗為13W。轉(zhuǎn)換器的輸入額定電壓通常為48V，采用通用的前向式和回掃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是常用的DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，它與低功率電信電源極為相似，現(xiàn)有的多個(gè)控制器IC可以滿足這一要求，如飛利浦半導(dǎo)體GREENCHIP系列中的 開關(guān)電源控制器IC-TEA1502。

    本文小結(jié)

    據(jù)VDC預(yù)測(cè)，到2007年，高達(dá)49.6億個(gè)端口將采用電源管理芯片。由于并不是所有的端口都會(huì)被利用到，假定其中的一半會(huì)投入使用，也就是說(shuō)用電設(shè)備的總有效市場(chǎng)為24.8億。

    綜上所述，PoE是一項(xiàng)改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電方式的全新技術(shù)。假以時(shí)日，PoE將成為很多設(shè)備所采用的普及技術(shù)。而且，正是電源管理器件(既包括IC也包括MOSFET)成就了這種改變。