以太网供电应用拓展设计升级，PoE中的PSE与PD

电子发烧友网报道（文/李宁远）PoE被称为基于局域网的供电系统或有源以太网，有时也被简称为以太网供电。以太网供电PoE是一项历史悠久且被广泛采用的供电技术，PoE利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。该技术简化了很多终端设备的安装，并提供了电源冗余和平滑电源转换等功能。
 
功率提升，PoE快速发展
 
早期PoE多用在互联网协议IP电话、Wi-Fi连接的无线接入点和IP摄像头这类应用中，通过100 m的标准CAT5以太网电缆为终端设备注入电力，功率在25.5W发送和30W。随着PoE条款802.3bt标准推出，并引入了以太网联盟EA徽标计划，此后PoE的应用开始在各个领域快速发展。PoE条款802.3bt标准推出，也就是PoE 90W的供电方案发布之后，供电功率水平从25.5W和30W（接受/发送）提高到了71.3W和90W（接受/发送），通过四对CAT5双绞线电缆供电。
 
扩展负载输入端功率范围的好处是显而易见的，更多的应用可以与PoE相匹配，现在例如HMI等新的终端设备都开始PoE进行供电。在智能照明、工业照明、医学成像、专业音视频设备和数字标牌等等应用领域里，PoE应用开始快速地增长。尤其是智能家居照明和工业照明领域，PoE的应用不仅提高了电能的使用效率，还为照明设备添加了连接功能。PoE加持下的设备不仅仅提供基础的照明功能，还能够集成多种传感器，成为一个多功能节点。
 
PoE中的PSE与PD
 
PoE设计中供电设备PSE和受电设备PD的互操作性以及是否符合802.3bt标准是至关重要的。在以前的PoE中，一个电源通道就足以为每个PoE端口供电，现在不仅增加了电源通道用以实现不同等级的电平，还需要提高每个通道的功率密度。
 
在供电设备PSE和受电设备PD的IC上大家一般都会选择参与了802.3bt标准与以太网联盟徽标计划的厂商来做，这样在互操作性和合规性上更有把握。出色的PSE和PD控制器能给开发人员能够提供完整的端到端PoE系统。
 
PSE设计面临的挑战非常多，浪涌和电缆放电、系统级的隔离需求、LED照明支持、复杂802.3bt标准的变更、端口混合设计、多样的寄存器接口、热效率以及功率输出效率等等。将数字和模拟组件组合起来，以解决系统面临的挑战。
 
TI的90W PSE设计里采用了可配置的系统固件解决方案FirmPSE，提供了一种完全可配置的解决方案用于控制系统，可提供多达48个4线对PoE电源端口的。每个端口的专用14bit  ADC进行持续的端口电流监控（2%精度），并执行并行分级测量，从而实现更短的端口开启时间。考虑到尺寸、效率以及散热，设计采用了外部FET架构（200mΩ），而且芯片组±2.5%可编程功率限制精度可以将PoE最大功率从90W扩展到125W以上。
 
该设计里与之匹配的PD接口芯片则配置了可靠的100V热插拔MOSFET，具有符合PSE浪涌要求的带浪涌延迟的PG输出。该芯片的自动维持功率特性能自动调节新标准下PSE的MPS并支持多种需要极低功耗待机模式的应用。
 

90W PoE PSE，TI

 
ADI作为PoE领域的带头人之一也设计了非常多高端口数量的PSE芯片以及PD控制器。目前推的LTC9101带闪存数字控制＋LTC9102/9103模拟控制的PSE系统是大型PSE系统常见的可拓展性设计，根据功率需要确定端口数量。
 

多端口设计，ADI
 

LTC9101是芯片组的核心，每个LTC9102/LTC9103电源通道都采用专用的检测和分级硬件以保证电源路径的高效率和耐用性。这可以大幅降低交换芯片中的上电延迟，使PSE不容易受到PD延迟影响。同样的，为了降低功耗，也采用了外部MOSFET来控制电源通道。
 
与之相对应的PD控制器设计上，有些PD控制器集成了高效率DC-DC转换器，可以简化设计。除了提供更多的PD功率之外，采用外部功率MOSFET更是进一步地大幅降低总体PD散热量并提高了电源效率。
 
小结
 
随着PoE在智能照明、医学成像、专业音视频设备和数字标牌等等非传统应用领域里快速普及，PSE和PD的设计难度也大大增加，PoE系统需要比以往提供更多的端口数、更先进的电源管理、更高的电源效率以及更低的散热。