POE应用中的电缆和连接器失衡问题解析

　　信息时代的成功典范之一就是局域网 （LAN） 的出现。通过把 PC 及其外设互相连到一个共同的网络中，您可以分享所有信息，分担每个人的工作。随着实施成本稳步降低，LAN 连接使您现在能够使用您曾经在经济上承受不起的设备。IP 电话、网络摄像机、无线接入点、家庭自动化、建筑物管理只是其中几个例子而已。

　　在一些市场上，为连接的设备供电的相关费用为 LAN 互连制造了障碍。为了控制这些费用，IEEE 802.3 工作组目前正在开发一项 POE 标准，即 IEEE 802.3af，它将使数据链路能够为每台连接的设备提供多达 12.95W 的未稳压直流电。

　　供电设备 （power-sourcing equipment， PSE） 把幻象电流注入变压器的中心抽头，在这儿，幻象电流被一分为二，并穿过两对平衡传输线路中的某一对（图 1）。在远端，这两股电流进入一个变压器，重新结合，形成受电设备 （powered device， PD） 的电源。该设备的返回路径使用另一对平衡传输线路。这项建议标准把总电流设为 350mA（即每条路径 175mA），这是设备能够连续获取的最大电流。

　　

　　图 1，PSE 把幻象电流注入变压器的中心抽头，在这儿，幻象电流被一分为二，并穿过两对平衡传输线路中的某一对。在远端，这两股电流进入一个变压器，重新结合，形成受电设备的电源。

     POE应用中的电缆和连接器失衡问题

　　

　　图 2，在实施 POE 的过程中，您始终都应该考虑电缆的电阻失衡。一个典型的电缆通道能够包含 5 条互连线路和 100 米线缆。

　　在实施这个方案的过程中，有一个缺点您始终都应该考虑，那就是电缆的电阻失衡。一个典型的电缆通道能够包含 5 条互连线路和 100 米线缆（图 2）。这项建议标准规定，通道的两条路径之间的电阻差额不能超过两条路径总电阻的 3%，计算如下：

　　

　　其中 RMAX 电阻较高路径的电阻，RMIN是电阻较低路径的电阻。

　　在电流最大时，该失衡等于变压器核心上10.5mA的偏流。在各种公差和温度条件下，100BaseTX 应用的变压器的最低电感为 350μH，直流偏流不超过 8mA。如果变压器只能容忍这么大的偏流，那么在变压器达到 267mA （见方程 2）的饱和值之前，它会降低供电设备能够交付的最大电流。

　　

　　考虑这样一种情形，只有一条 5 m软线 （patch cable） 分隔供电设备和受电设备。这种不符合建议标准的情形，能导致电流失衡值超过 42mA。您可以核实这一事实，方法是把方程 3 中的 RB 设为零，并解出 IIMBAL。

　　

　　图 3，为了把电流能力恢复为 350mA，您需要稳流电路。这种解决电缆和连接器失衡问题的方法，在传输通道和接收通道的各端都利用了两个电阻器。

　　为了把电流能力恢复为 350mA，您必须采用稳流电路。图 3 详细描绘了一种利用两个电阻器解决电缆和连接器失衡问题的方法。请注意，传输通道和接收通道的各端都需要稳流电阻器。增加电容器，并与电阻器并联，可以帮助把稳流电阻器导致的信号损耗降至最低程度。您应该选用电容器，以便在最低的信号频率时，实现低阻抗。虽然电容器的值取决于实施情况，但如果选用0.22μF电容器，则在 100kHz 时，损耗小于 0.5dB。

　　表 1 详细说明了在最低温度和最高温度时，不同电缆尺寸的电阻。后面的计算利用这些电阻值来求连接器失衡值和电压降。

　　

　　表1 电缆阻抗

　　为了计算稳流电阻，典型的最大配置使用了 5 个连接器。在每个连接点，一个触点的测量值为 0Ω，另一个触点的测量值为 0.02Ω，这是 IEC 512-2 允许的最大电阻。而且，模型使用了一条 5米长的 22 AWG 电缆，这是因为较长的电缆可以减少连接器的影响在失衡中的比重。描述这一相互作用的方程如下：

　　　 

　　其中 IOUT（来自 PSE 的最大电流）=350mA，IIMBAL（两对线路之间的电流差额）=58mA，RC（5m 22 AWG 电缆）=0.24Ω，RB（稳流电阻）=6.6Ω，RCONN（5 个连接器的触点总电阻）=0.1Ω。

　　在这些条件下，最坏情形下的电流失衡值为 6.25mA。使用 3.3Ω 镇流电阻器，可以提高与电缆有关的总电压降，提高幅度为：

　　　　 

　　建议标准要求，供电设备提供的最低电压应超过 44V，受电设备的最高电压不超过 36V。在最大电流时，这个 8V 的余量允 许供电设备和受电设备之间的各条传导路径的电阻高达 45.7Ω。即使在最坏情形的温度条件和公差条件下，使用 3.3Ω 镇流电阻器，并与 100m 26 AWG 电缆串联，也能提供 0.28V 的余量：

　　

　　在过流情况下，稳流电阻器会产生最坏情形功率耗散，建议标准把它设为 450mA。在这种情况下， 稳流电阻器的额定瓦数为：

　　　 

　　因此，额定值为 0.25W 的电阻器满足要求。

　　有了 IEEE 建议的最新标准，功率要求不高的 LAN 设备现在可以选择从中央集线器获得电力。不过，采用这一功能时，您应该考虑增加稳流电阻器，来消除使绝缘变压器饱和的可能性。

　　实施稳流电阻器的一种替代方法是设计一个定制的磁性模块，它能够适应更大的偏移电流。这种方法的不利方面是成本更高，模块尺寸更大，这主要是由于该设计需要更大的磁性结构。而且，当用最短距离把供电设备和受电设备分隔开的时候，电流可能为 42mA，设计一种能容忍这种情况的变压器，在经济上是不现实的。

　　当然，您可以选择什么都不做，这种情况下，变压器可能会饱和，而信号恢复工作将由物理层芯片中的基线游离纠正电路来承担。糟糕的是，一些现有的 LAN 芯片缺乏此类电路。