为以太网供电设计创建电源子系统

借助以太网供电 （PoE） 技术，我们可以通过现有的 CAT5/5e/6 以太网电缆发送数据和供电。PoE 系统已被证明适用于监控摄像头、家庭/楼宇控制、数字标牌、企业内的 VoIP 电话和 Wi-Fi 接入点等应用。本应用笔记提供有关PoE系统设计的指导，特别关注用电设备（PD）电源子系统。

介绍

PoE 系统由某种形式的供电设备 （PSE） 组成，例如网络交换机或中跨供电器交换机，以及图 1 所示的 PD。

图1.PoE 系统，顶部是供电设备，底部是用电设备。

PoE 有利于减少连接到终端设备的电缆数量。使用单根以太网电缆可简化安装，并提供集中式电源管理 – 如果 PSE 具有不间断电源 （UPS） 电源，PD 可以远程关闭和打开电源，并且可以在交流停电的情况下提供连续运行。

当然，可以有效地提供给端点的功率量以及该端点与提供电源的网络交换机的距离是有限制的。指定的最大距离为 100 米（333 英尺）;这是从支持 PoE 的交换机到 PoE PD 的距离。但是，PoE 以太网扩展器可以延长该跨度。

电源使用以太网电缆中的双绞数据线传输。每根以太网电缆都有四对数据线。在千兆以太网（迄今为止最常见的类型）中，所有四对都携带数据。可以使用两对电线供电，如图2所示。一个称为备选方案A，另一个称为备选方案B。

要符合IEEE标准，PD必须同时支持备选方案A和备选方案B，而PSE可以支持备选方案A或备选方案B，或两者兼而有之。

 

图2.PoE 生态系统显示备选方案 A 和备选方案 B 的电源连接。

IEEE标准规定了可以输送到端点的功率量：

IEEE802.3af是2003年批准的第一个标准，额定使用以太网电缆中的两对电线输出15.4W/端口。在 100m 距离处，这意味着 PD 将获得 12.95W 的功率。

2009年，IEEE批准了PoE+标准802.3at。有了这个新标准，PD可以在100m处获得25.5W的功率。该标准向后兼容，因此较旧的PD将与新的PSE配合使用。

IEEE 802.3bt 于 2018 年 9 月获得批准，可为超过 100 米的 PD 提供 71W 的功率。现在，PSE可以通过单根以太网电缆输出100W，这有助于将PoE市场扩展到LED照明，大屏幕显示器等。

由PSE提供并由PD接收的电压范围如表1所示。

表 1：由 PSE 提供并由 PD 接收的电压范围
 

 

	IEEE802.3af （V）	IEEE802.3at （V）	IEEE802.3bt （V）
PSE 的输出	44–57	50–57	50–57
由PD接收	37–57	42.5–57	42.5–57

 

PoE 系统设计：PD 电源子系统

通用PD的电源子系统可能如图3所示。

图3.PoE PD 电源子系统。顶部：非隔离。底部：孤立。

PD 的电源子系统由一个 PD 接口控制器和一个 DC-DC 转换器组成，前者接受来自以太网电缆的电源，后者将功率调节至电路功能所需的电源轨。表 2 提供了 PD 可从 PoE 连接器获取的最大功率量。PD 必须通过 PD 接口控制器的分类对自身进行分类，以便根据其类别接收适量的功率。有关 PD 分类 IEEE802.3bt 标准的更多详细信息。

表 2：从 PoE 连接器获取电源
 

 

PD类	PD 可以消耗的最大功率 PClass_PD （W）
1	3.84
2	6.49
3	13
4	25.5
5	40
6	51
7	62
8	71

 

在选择合适的电源解决方案之前，回答这些问题可以帮助您确定 PD 要求：

您的 PD 需要多大的功率？
了解您的PD所需的最大功率后，选择合适的类别来满足此需求。最好不要过度分类您的 PD 功率。其中一个原因是更高的功率会增加电源解决方案的成本。另一个原因是它会减少 PSE 可以分配给连接到同一 PoE 网络的其他 PD 的剩余可用功率。

是否需要隔离？
PD 和 PSE 在所有可访问的外部导体之间提供隔离，包括框架接地（如果有）和所有介质相关接口 （MDI） 引线，包括 PD 或 PSE 不使用的引线。需要考虑两种配电环境，它们需要不同的电气隔离特性： 环境 A：当局域网 （LAN） 或 LAN 段及其所有相关互连设备完全包含在单个低压配电系统和单个建筑物内时。符合环境 A 要求的多端口网络接口设备 （NID） 不需要链路段之间的电源隔离。 环境 B：当 LAN 跨越不同配电系统之间的边界或单个建筑物的边界时。在这种环境中，具有多个 PSE、PD 或两者实例的设备应满足或超过与每个实例关联的介质连接单元/物理层 （MUA/PHY） 的隔离要求。 简单来说，如果您的PD是没有任何外部连接器的单个设备，并且完全封装在塑料外壳中（例如安全摄像头，PoE-LED灯泡，低成本IP电话等），则不需要隔离。在这种情况下，选择非隔离电源解决方案，以简化和降低成本。

您的PD是否也需要由墙上适配器供电？
例如，IP 电话最有可能具有交流电源适配器输入，以便在尚不可用 PoE 的建筑物中使用。如果要在 PoE 尚不可用的地方使用 PD，请选择具有墙上适配器接口功能的 PD 接口。

您的 PD 是否需要低功耗待机模式才能满足某些机构要求？
越来越多的机构需要绿色电源功能，其中IP电话等设备在空闲时间（白天不使用）和睡眠时间（工作时间之外）消耗尽可能少的电力。选择具有保持电源签名 （MPS） 和低功耗休眠模式的 PD 接口控制器，以保证合规性并有助于为更环保的世界做出贡献。

高效率重要吗？
高效率可降低功率损耗，从而降低局部放电的散热要求。 较低的散热意味着更低的工作温度，这意味着更高的可靠性。如果您的 PD 需要大量功率才能运行，例如 60W，效率为 80% 的 PD 将需要 60W/80%=75W 的输入功率，这超过了 71W 的最大 PoE 功率，使其与 PoE 不兼容。 然而，效率为 90% 的 PD 需要 60W/90%=67W 的输入功率，这很好地属于 8 类 （71W）。在这种情况下，高效率是必须的。此外，始终希望将 PD 分类为最低功率等级，以便系统中剩余的 PoE 功率可以分配给更多 PD 设备。高效率可以将您的临界PD提升到下一个更低的功率等级。

选择 PD 接口控制器

选择 PD 接口控制器时，请考虑以下重要功能：

符合 IEEE 802.3af/at/bt 标准

1~4型PSE分类指示器或外部墙上适配器指示器输出

简化的墙上适配器接口

多事件分类 0–8

智能媒体处理

休眠模式和超低功耗休眠模式

这些功能可以满足前面提到的大多数效绩数据要求。其余要求将由 DC-DC 控制器解决，稍后将对此进行讨论。表 3 中的选择器指南显示了一些推荐的 PD 接口控制器及其主要特性。

表 3：推荐的 PD 接口控制器
 

 

	802.3af/at 顺从的	符合 CoC 标准	404
MAX5969	X
MAX5981	X	X
MAX5982	X		X

 

选择非隔离式 DC-DC 转换器

如果您的PD不需要隔离，那么高压降压转换器将是满足DC-DC转换器需求的合适选择。效率、总体解决方案尺寸和成本是重要的考虑因素。具有同步整流、宽输入电压范围和高集成度等特性的器件支持这些考虑因素。图4所示为满足效率和尺寸要求的非隔离式DC-DC转换器解决方案示例。这是 3 类 PD。MAX5969B为PD接口，MAX17503为DC-DC降压转换器（非隔离）。输出为 5V/2.5A，峰值效率为 92%。

图4.3类PD，使用MAX5969B和MAX17503进行非隔离。

图5提供了另一种非隔离式DC-DC转换器的示例，该转换器是使用MAXM15064 uSLIC电源模块（5V/300mA）的1类解决方案。MAXM15064采用微型uSLIC 10引脚2.6mm×3.0mm×1.5mm封装。

图5.1类PD，使用MAX5969B和微型uSLIC电源模块MAXM15064进行非隔离。

选择隔离式 DC-DC 控制器

如果您的PD需要隔离，那么反激式转换器是合适的，可提供大约40W的功率（5类及以下）。能够最大限度地减少所需元件数量的器件可以节省电路板空间和成本。例如，隔离式反激式控制器不需要光耦合器为输出电压调节提供反馈，可以节省多个外部元件以及相关的电路板空间和成本。此外，光耦合器会随着时间的推移而降低，因此不使用光耦合器也会提高可靠性。

图6所示为隔离式DC-DC转换器解决方案的示例。它是 2 类 PD、5V/1A 输出，可在 12V 至 57V 墙上适配器输入电压下工作。该方案使用MAX5969B作为PD接口，MAX17690作为无光耦反激式DC-DC转换器。

图6.2类PD，使用MAX5969B和MAX17690隔离，无光耦合器。

为了进一步提高反激式DC-DC转换器的效率，可以用同步整流代替输出整流二极管。图7中的原理图显示了一个示例。

图7.2类PD，使用MAX5969B和MAX17690隔离，MAX17606可选输出同步FET驱动器，实现最高效率。

对于超过40W的输出功率，即使反激式转换器仍然可以正常工作，也建议使用有源钳位正激转换器以提高效率。在较高的输出功率下，效率对于减少PD中的散热量非常重要。有源箝位正激转换器由于其软开关边沿，还具有较低的电磁干扰（EMI）特征。图8所示为有源钳位正激DC-DC转换器的示例。该转换器在 700mA 时提供 57V 的隔离输出电压，在 91.5% 的峰值效率下总计 40W。

图8.5类PD，使用MAX5969B和MAX17599隔离高功率，有源箝位正激DC-DC，可实现高效率和低EMI。

结论

随着越来越多的设备联网，只需在一根提供连接和电源的以太网电缆上运行它们就是一种方便的选择。此外，通过集中管理的交换机供电允许其他增强功能，例如远程开/关和不间断运行，即使在本地停电的情况下也是如此。

得益于最新的IEEE 802.3bt标准，现在可以通过PoE为更多类型的设备供电。随着输送功率的增加，对更高效率和更宽输入电压范围的需求也在增加，以适应复杂的电源系统设计。这需要仔细考虑PD控制器和DC-DC转换器的选择，以产生系统使用所需的稳压。

审核编辑：郭婷