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从PoE过渡至PoE+的设计方案

作者:时间:2010-04-23来源:网络收藏
 2003年,针对以太网供电(+)的IEEE802.3af标准为以太网开辟了一个新的应用领域,即通过以太网同时传输DC功率和10/100/1000Mbps数据。该标准规定了12.95W的标称传输功率,对于早期接受这项新技术的应用(包括标准VoIP电话、安全摄像机和无线接入点)来说,该功率绰绰有余。自此之后,基础设施在业界变得十分普遍。与此同时,人们对于附加功能和较高功率的需求也有了显著的增长。固定安全摄像机逐渐获得了全动感视频,无线接入点能够在更远的距离上提供更高的信号强度,而VoIP电话则可提供视频和外设支持。为对功能的增加提供支持,这些受电设备(PD)需要从PSE(供电设备)获取超过最初标准规定限值的功率。人们开始考虑制定基于IEEE802.3af规范的IEEE802.3at(亦称PoE+)标准,旨在适应新的高功率应用需求。

  PoE+满足高功率需求

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/157478.htm

  需要进行谨慎工程的领域之一是将被用来实现PSE和PD相互识别的新型分级机理。实现这种相互识别需具备以下能力:PSE可以正确地为802.3af(也称作Type 1硬件)和802.3at(Type 2硬件)PD供电;可以由802.3at PSE来为802.3af PD供电;802.3at PD可以知晓它们是否具有其较高负载所需要的完整可用功率。每种组合都需要拥有一种明确定义和一致的工作特性,以保持802.3标准内部的互操作性。借助一种更加精细的硬件分级机理和一种新型数据层机理,这种相互识别能力在PoE+中得以实现。

  PoE+增添了一种被称为“两事件分级”的新型硬件分级,并要求PSE必需重复进行两次802.3af电压探测。PD的每次电压探测都将导致吸收单个电流脉冲(图1),这对应于一个特定的功率级。作为开始,PSE将在数据或备用线对上确定一个约15.5V至20.5V的电压脉冲。PD以一个高达40mA的电流做出响应,该电流把4种功率等级之一传送至PSE。双脉冲是一个发送至PD的指示信号,表明连接的PSE确实是一个高功率PSE,能够提供与802.3at功率相关联的较高功率级。802.3at PD以一个Class 4电流做出响应,由此向PSE传递这样的信息:自己是一个需要完整可用功率的高功率PD。802.3af中的Layer 1分级方法提供了一种可任选的方法,供PSE向PD发出询问信号以确定PD的功率需求。然而,在802.3at规范中,目前指令要求Type 2 PSE至少应执行单事件硬件分级。

  除了硬件分级的升级之外,PoE+特别工作组还定义了一种被称为链路层发现协议(LLDP)的新型数据层(Layer 2)分级,用于实现PSE和PD之间的通信。一旦建立了一条链路,PSE和PD便能够采用LLDP来确定PD的功率需求。LLDP的运用使得PSE能够反复询问PD并确定PD的状态及其功率需求。利用该机理,如今可以实现动态功率分配,此时,PSE能够连续地分配功率至PD(以0.1W为增量),而且PD可以提出请求,并随后交出功率。通过Layer 2进行的通信实现了用于获得诸如峰值功率、平均功率和占空比等更多信息的高级功能。随着系统朝着更“绿色”电源环境的方向发展,这种动态功率分配肯定将成为一个重要的特点。LLDP是一种用于PSE的任选分级机理,但必需由PD来执行。如果PSE仅执行单事件分级,则PD可以通过LLDP协议来协商获取较高的功率。图1给出了PoE+采用的这两种分级方法。


  有两类PSE,即“中跨”和“端跨”。顾名思义,被称为“功率注入器”的中跨控制器负责将功率注入现有的以太网电缆,并被放置于LAN交换器和受电设备之间。数据不经修改地通过一个中跨PSE进行传送。由于无需更换交换器,因此这些控制器尤其便于现有网络中的PoE安装。另一方面,端跨设备则是一种具内置PoE能力的交换器(因而无需中跨)。当从头开始构建一个新网络时,采用端跨PSE。由于中跨仅可以使用电源层,因此它们运用PoE+中的新型两事件分级来表达高功率能力。LLDP使用数据层,因此端跨控制器可以选择运用这种附加分级法来与PD协商功率。

  对于PoE系统而言,有两个截然不同用于定义功率的位置,即:PSE输出连接器和PD输入连接器。PoE+规范中更加重要的改进之一是将电流的上限值规定为600mA。现在,PSE必须要能够连续提供至少600mA的电流和一个50V的最小输出电压。这转化为一个30W的PSE输出功率。电缆电阻的模型化值不大于12.5Ω,因而在PD连接器上产生了25.5W的可用功率。有必要把48V转换效率考虑在内,这样最终传输至PD负载的可用功率约为24.6W。

  对于较高功率的需求当然是由市场驱动的,而且目前对可提供超出现行12.95W限值的功率的PD电源解决的需求已经很强烈。现在许多高耗能网络设备都提出了更高的功率要求。那么,电路师如何应对他所面临的高功率需求呢?解决是:采用由凌力尔特(Linear)公司提供的并符合新型PoE+标准的PSE和PD产品进行设计。这些产品满足新标准所设定的功率限值,而且还可为专有应用提供更高的功率。

  PoE+ PSE设计

  目前所面临的挑战是PSE制造商必需将高功率PoE+端口迅速投入实际应用。针对PoE+标准进行现有PSE设计的升级需要满足以下要求:能够在不增加误码率的情况下接受更多偏置电流的改进型以太网磁性元件;具较高截止电流门限的新型PSE控制器芯片;视所采用的控制器芯片的不同,有可能需要使用具较大安全工作区(SOA)的较大MOSFET;较大的主电源;可能需要对各种各样的元件(例如连接器、熔断器、共模扼流圈、瞬态电压抑制器二极管、电流检测电阻器和EMI滤波器)进行升级以提供较高的电流。

  所有这些元件在市面上均有供货,而且802.3at磁性元件和芯片常常可以简单地直接替代其802.3af同类产品。尽管在将PSE从802.3af至802.3at时需要进行很多设计变更,但我们将重点关注有助于这种的关键元件――PoE+ PSE控制器。

  凌力尔特的LTC4266(见图2)是市面上首个完全符合802.3at标准的四通道PSE控制器,而且向后兼容至广受欢迎的802.3af器件LTC4259A。LTC4266不仅为PD提供了新标准强制要求的功率级,而且还向后兼容最初的PoE标准,因而使得用户能够混合并匹配多达4个PoE和PoE+ PD。如前文所述,为符合802.3at标准,一个PSE必须要能够在PSE连接器的输出端上提供30W功率,这样在补偿了电缆损耗之后可向PD输送25.5W功率。LTC4266可提供30W功率,但它是在大幅度降低热耗散的情况下做到这一点的。


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关键词: PoE 方案 过渡 设计

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