兼容标准的高功率PoE系统设计

IEEE802.3af标准的制定推动了以太网供电技术的使用，而TI公司推出的兼容标准的高功率供电管理芯片TPS23841和TPS2376H，很好地解决了25W以内网络设备的接入问题。本文基于以上两种芯片设计出兼容标准的高功率以太网供电系统。
　　1 IEEE802.3af标准简介

　　IEEE802.3af标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送48 V直流电源的方法,它将以太网供电（Power over Ethernet，PoE）技术引入到现有的网络基础设施中，最大传输距离为100m。PoE由供电设备PSE和受电设备PD组成。PSE分为端接式和中跨式两种类型，主要实现对PD的检测、功率分级（可选）、供电和断电等功能；PD主要作为标准识别设备，返回各种符合标准的信号以及持续工作信号，从而完成整个供电过程。

　　2 PSE系统结构组成

　　PSE主要实现上述电源管理功能，系统由硬件和软件两部分构成。PSE系统结构如图1所示,16位单片机MSP430F147通过模拟I2C总线对TPS23841内部寄存器进行读/写，来实现电源管理功能；通过P4.0设置TPS23841的工作模式；通过P2.7获得出错信号，从而通过P4.2对TPS23841产生有效的复位信号。系统中对必要的信号及电源进行了隔离，MSP430F147通过UART接口经MAX13085转换为RS485电平后与供电监控PC机通信，当没有与PC机连接时系统会自主运行。

　　TPS23841的工作电压范围为21.5~57V,比IEEE802.3af标准定义的电压范围大得多。也就是说，TPS23841可以提供上述电压范围的供电，这使得以太网供电技术可以应用在医疗、工业等24V的供电系统中。同时，可以通过提高输入电压的方法将传输功率提高到25W，供电可以通过1/2、3/6或者4/5、7/8号线对传输到远端PD。在特殊情况下也可以通过4个线对同时传输供电，这样可以获得更高的传输功率。交流断路检测电路用来产生交流断路检测信号，地址设置电路用来设置TPS23841的I2C设备地址，通过设置不同的地址可以接入多个TPS23841，从而达到扩展供电端口的目的。MSP430F147通过内部集成的温度传感器实时监控系统工作温度，当过热时启动风扇散热。

　　3 PSE的硬件设计

　　PSE的供电管理功能主要由TPS23841实现。TPS23841运行时内部工作所需的10 V、6.3 V和3.3V由外部供电产生，每个供电端口可以提供高达570 mA的电流，而对每个PD可以提供最高25W的功率。TPS23841内部集成了4个独立的15位A/D转换器，用来测量每个口的电阻、电压、电流,可以更加精确地实现供电管理功能。如图2所示，PSE的硬件电路主要由TPS23841及其外围电路组成。在4个供电回路中加入自恢复保险丝来实现过流保护的功能，通过加入瞬间电压抑制器实现过压保护的功能，由50、51脚引出的电路产生交流断路检测信号，在各供电端口加入了显示电路。I2C的5位地址由外部拨码开关S1设置，三线I2C总线经过光耦隔离后连接成为标准的两线I2C总线。在PSE系统中，通过对MSP430F147编程来实现电源的高级管理功能。

　　4 PSE的软件设计

　　TPS23841内部集成了标准的I2C模块，MSP430F147通过I2C通信实现高级电源管理功能。TPS23841具有3种工作模式，分别为自动模式（AM）、半自动模式（SAM）和供电管理模式（PMM）。AM模式下，TPS23841不需要微控制器控制，自动实现对PD的检测、分级和供电等功能，此模式下采用DC断路检测法检测PD是否断开；在SAM模式下，TPS23841运行在AM模式下，但可以通过I2C总线来读取所有状态寄存器和A/D寄存器的内容，并且可以不需要微控制器参与而自动完成对PD的检测；在PMM模式下，可以执行AC断路检测，并且可以获得每个PD的电压与电流参数，供电管理更加灵活。当TPS23841工作在SAM和PMM模式时需要微控制器MSP430F147来完成整个供电管理过程。PSE的运行控制过程如图3所示。控制程序主要实现系统初始化、控制TPS23841、与PC通信，以及对数据进行封装与解析等功能。当没有与PC机连接时，设置TPS23841工作在AM模式下，TPS23841将自主运行；当与PC机连接时，系统将按照用户的要求将TPS23841设置为相应的工作模式，在SAM和PMM模式下，能够采集到各个端口的运行参数，在PMM模式下可以对各个端口的供电进行控制。系统最后将采集到的数据封装后通过RS485发送到PC机。