用于PoE应用的低成本隔离电源问题解析

　　一、POE介绍

　　POE （Power Over Ethernet）指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。

　　PoE也被称为基于局域网的供电系统（PoL， Power over LAN ）或有源以太网（ Active Ethernet），有时也被简称为以太网供电，这是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。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。

　　二、POE原理

　　标准的五类网线有四对双绞线，但是在10M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。IEEE80 2.3af允许两种用法，应用空闲脚供电时，4、5脚连接为正极，7、8脚连接为负极。

　　应用数据脚供电时，将DC电源加在传输变压器的中点，不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。

　　标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法，但是电源应用设备PD必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是48V、13W的。PD设备提供48V到低电压的转换是较容易的，但同时应有1500V的绝缘安全电压。

　　三、POE的系统构成

　　一个完整的POE系统包括供电端设备（PSE， Power Sourcing Equipment）和受电端设备（PD， Powered Device）两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载，即POE系统的客户端设备，如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑（ PDA）或移动电话充电器等许多其他以太网设备（实际上，任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系，并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。

　　四、POE供电方法

　　中间跨接法（ Mid -Span ）

　　使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电，应用于普通交换机与网络终端设备之间，可以通过网线给网络终端设备供电，Midspan PSE（中跨供电设备）是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。

　　末端跨接法（End-Span）

 

　　是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电，其输电采用与以太网数据信号不同的频率。相应的Endpoint PSE（末端供电设备）有支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。可以预见End-Span会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。

　　五、用于PoE应用的低成本隔离电源问题解析

　　本文描述一种用于 POE （Power-over-Ethernet以太网供电）用电装置（Powered DevICe-PD）的易用、 低成本 、 隔离电源 。以太网供电是通过已有的CAT-5 Ethernet 缆线为以太装置提供数据和电源新功能。PoE由IEEE802.3af标准决定。PoE正在迅速得到制造商和用户（如VoIP电话，无线接入点，保密相机、售货终端）的喜爱。PoE系统优点是：

　　·低成本—可以消除墙上电源。

　　·灵活的接入点配置—无线接入点不再需要配置在AC电源的周围（或需要有AC电源线通过）。

　　·远程管理能力：IP电话和 WLAN接入点可以远程上电或下电。远程主机可以确定有多少装置需要电源和决定哪些装置应该通电。

　　·较高的可靠性：在开关末端可以用冗余电源。

　　·全球兼容性：PoE建立一个通用全球电源连接器。

　　为了依从IEEEE802.3af PoE标准，Ethernet线上的用电装置（PD）必须在起动时能被识别，被分类，被控制并满足隔离要求。按802.3af的隔离要求，一个PD应该在电源接口（PI）线，外部导线和机架地之间提供电气隔离。隔离必须满足IEC60950-1:200子项6.2的1500V SELV要求。安装在塑料壳中的VoIP电话（无外部连接器或缆线）可满足这种要求。实现隔离的另一种方法是用带变压器的电源变换器，它具有1500V隔离和光隔离输出电压反锁。电气隔离对VoIP电话和WLAN接入点制造商来讲是一种应留心的选择，希望在其用于下游台式PC的产品中包含另外的Ethernet端口。

　　本文所描述的隔离电源能经Ethernet缆线为PD工作提供系统电压。电源由下列部分组成：PoE控制器，EMI滤波器，隔离电源变换器和第二变换器。尽管此电源是专门为VoIP电话设计时，但其特性是通用的，并可容易适用于其他PoE应用，此电源的主要设计目标是：低成本、小尺寸、高效率和符合IEEE802.3af标准。此电源的完整电路示于图1。

　　

　　PoE控制器

　　TPS2370是做为电源设备（ PSE ）和用电装置（PD）的接口。执行IEEE802.3af标准所需的所用检测，分类起动电流限制和开关FET控制。当PSE加电压1.8V~10V到24.9KΩ显示电阻R2时，检测Ethernet的存在，当PSE加15V~20V到分类电阻R5时，设置PD的分级。PD的分类电平标记PD需要多小来自Ethernet线路的电源。内部FET和控制电路限制来自Ethernet线路的启动和稳态电流，用户可用R4设置启动电流限制。C10用于消除线路电感引起的启动振荡。IEEE802.3af标准限制该输入电容器大小为0.15mF，D9防止任何耦合进Ethernet线路的瞬变。在此应用中，D1~D4隔离Ethernet电源和外部稳压48VDC电源。二极管通常也用在Ethernet线路保护极性反向和提供自动极性校正。

　　输入EMI滤波器

　　PD和隔离电源所产生的噪声可能干扰所传输的数据和连接在同一Ethernet线路上其中PD装置的工作。IEEE820.3af规定为保证数据完整性在PI/PD接口上所允许的最大纹波。此电源工作在100KHz，而在此频率峰—峰电压纹波限制是200 mV。应注意，基频100 KHz的谐波和 PD也可产生噪声，这会增加滤涉要求。L1、L2和C3是一个差分滤波器，用于降低隔离电源所产生的电流脉冲，由于杂散电容所致在输入电源线上也会产生噪声。L3和L5滤波这些共模电流。IEEE802.3af限制是共模和差分模式纹波。很多PD也必须满足FCC/EU辐射标准，所以，共模滤法器设计应把此需求考虑进去。

　　隔离电源变换器

　　具有自动驱动同步整流器3.3V输出的反激变换器用于该设计。同步整流器与肖特基二极管相比，具有非常小的压降，这可增加效率。为了使用同步整流器在整个初级开关关闭时间具有一个驱动波形，就需要连续电流模式工作。T1是反激变压器（实际是一个电感器，它储存能量），MOSFET Q2随可变占空比和100KHz周期开和关，使T1储存能量，在Q2导通期间，输出电容器提供全部负载电流。在Q2 关闭期间， Q1栅板和源极之间的电压是正的，使其导通。电流流入输出电容器，重新充电这些电容器并进入3.3V负载。为了稳压3.3V输出，测量电压与 TLV431A并联稳压器U5中的基准进行比较。光电隔离器U4提供反馈通路中的隔离。U3是UCC3809 PMW控制器，它控制Q2导通时间，然后调整3.3V输出。Q2导通时间控制储存在T1中的能量值，依次调整提供给次级的能量，稳定3.3输出。

　　在变压器T1增加另一绕组（用适当的匝数比）产生第二个输出电压。肖特基二插管D5，在Q2关闭期间正向偏置，允许电流流入输出电容器和5V负载。以这种方式所产生的第二个输出是半稳压输出，其容差为8%~10%，这取决于输入线路和负载。为了得到更好的稳压，把输出设置销微高于所需电压，并采用低压降稳压器（LDO）来提供较高的稳压性能。LDO可达到1%~2%容差。

　　非隔离电源变换器

　　PD需要另外2个电压，需要1个可调12V~24V（20mA），用于LCD显示的偏置。3×3mmQFN封装的TPS61045高频升压变换器U6用于升压3.3V输出。DSP芯核电压需要1.5V（250mA）。TPS62210同步降压变换器（SOT23-5封装）U7用于降压3.3V到1.5V （效率87%）。这两个IC器件都具有内部电源开关和控制环路补偿，这减少了外部元件数，板空间和成本。