低端口数PSE

　　IEEE 802.3af以太网供电(PoE)标准规定：可通过以太网线路输送48V电压(在高达350mA的电流条件下)。从那以后，一大批采用PoE标准的新产品相继面市，而且，具PoE功能的以太网接口的数量达到了几百万之多。

　　负责提供功率的设备是供电设备(PSE)。开发中跨PSE的目的是使不具备PoE功能的老式数据装置能够继续使用(将其用作现有数据线上的馈电器)。端点PSE则实现了PoE功能与诸如路由器、集线器和交换器等数据设备的集成。当PoE尚属新事物的时候，中跨代表了那些有PoE需求、但不想更换其现有数据系统的厂商的首选PSE方案。不过，随着PoE技术的日渐普及，端点PSE目前已成为市场上的主流产品。

　　PSE提供的功率通过以太网线路输送至受电设备(PD)。此类设备通常主要包括IP语音通信(VoIP)电话、网络摄像机和无线接入点(WAP)等产品。PD的应用还扩展到了更多独特的领域，包括乐器、电池充电器和显示系统。通过单根电缆来传输功率和数据在许多方面都被证明是极具价值的，包括免除了在PD上增设电源接线的需要以及创立了一个通用的电源标准。PoE在商业和工业市场上得到广泛应用已有好几年了，而且目前正在进入消费产品市场。

　　基于IEEE 802.3af标准的PSE控制器用于执行PD检测、分类、端口接通、故障监视和电源断接。它们一般都是多通道控制器，其中以四通道控制器最为常见。传统上，这些控制器被设计在大型的12、24或48端口系统中，因而需要一个以上的IC。有些控制器能够自主运行，但大多数应用都是采用一个微控制器来逐个执行IEEE功能。微控制器还被用于从PSE控制器读回端口的状态和PD类别信息。微控制器随后对该信息进行“翻译”，以执行诸如用户接口和电源管理等操作。

　　对于Class 3，要求一个PSE端口输出15.4W的功率(表1)，因此，向每个端口提供满功率将需要一个很大的电源(即：15.4W x 24个端口 = 370W)。为了解决这一问题，IEEE 802.3af标准赋予了PD一个可选项，用于根据PD将会消耗的最大功率来为PSE提供功率级别信息。通过采用一个负责执行电源管理的微控制器，这将实现电源尺寸的缩减。

　　图1示出了基本电源管理操作的一个例子。在设定了初始可用功率并检测到一个PD之后，读出该PD的功率级别。将读出的功率级别与可用功率进行比较。如果有足够的功率供PD之用，则接通端口，并从可用功率中抽取所需的功率。当PD断接时，端口被关断，抽取的功率将被加回到可用功率中。

　　通过始终监视按照PD的功率级别而在每个端口上分配的功率，即可根据剩余功率来确定其是否足以为更多的PD供电。如果某个端口发生故障或者剩余功率不足，则阻止PD执行上电操作，该状态信息可通过一个用户接口(如果有的话)读回。

　　单端口PSE控制器

　　多通道控制器适用于大型多端口设备，不过，有许多应用只需要具有PoE功能的单端口或低端口数PSE。对于这些应用而言，通常仅采用多通道控制器当中的一个，而未用通道则被浮置。PSE控制器的领先供应商凌力尔特公司推出了LTC4263，这是一款面向此类应用的自主型单通道PSE控制器(图2)。

　　LTC4263提供了完全符合IEEE 802.3af标准的PD检测、分类、端口接通、故障监视以及AC或DC断接检测功能。此外，一个高效LED驱动器还负责通过单个LED为用户提供端口状态信息，以指示端口接通或故障。可选项包括一个中跨延时定时器、老式设备检测以及通过将其各自的引脚连接至VSS或VDD5来设定的功率级别提升。LTC4263的一个独特之处是其简单的电源管理功能，在多端口应用中，可利用一个在多个LTC4263上工作的RC网络对该功能进行编程。如欲采用模拟方法来执行上述电源管理功能，则可通过多个LTC4263所共用的一个PWRMGT引脚来完成。LTC4263的关键优势在于其无需微控制器干预的独立型运作能力。

　　除了免除了微控制器及其外围元件以外，LTC4263还具有一个用于正确开关负电源轨的板载功率MOSFET，以及一个内置AC断接信号和数字电源。图2示出了一款与LTC4263配合操作且元件数目极少的电路。接入了一个隔离型48V电源，并由它向LTC4263输送功率。旁路电容器被布设在输入电源引脚VDD48以及5V内部生成电源(在VDD5上引出)上。输出线(48V正电源轨和开关负电源轨)外接至RJ45端口线路。如果通过数据线对，则这些输出线将被连接至以太网变压器的中心抽头。否则它们将直接连接至空闲线对。一个58V瞬态电压抑制器(TVS)和一个0.1mF电容器有助于防止在端口上出现电压瞬变、过压和反向电压。还可以采用一个可选的1A熔丝来满足安全性要求。这款低元件数解决方案实现了小于单个RJ45连接器的布局面积。与多通道PSE相比，单端口PSE在布局上的另一个优点是元器件的排版。可以把各个控制器电路布设在以太网端口的后面或附近，而不是经由很长的印制线会合于共用的控制器。还可以把一个58V TVS放置在其设计用于保护的控制器的近旁。简化的布局还有助于满足IEEE 802.3af标准当中所提及的隔离要求，这一点在PSE设计中有时会被忽视。

　　把控制器和MOSFET分散至各个端口还有利于改善PSE的热性能。元件之间的间隔提供了优于多通道控制器解决方案(这里，电源路径彼此靠近)的热管理性能。当PSE被封闭于一个致密空间(例如：一个集成RJ45连接器)当当中的时候，改善效果最为明显。

　　其他可选项(图2中未示出)是LED连接和AC断接。一个具有电流设定电阻器的LED与LED引脚相连。LED驱动器还能够起一个开关电流源的作用(以提高功率效率)，只需增设一个电感器和二极管。在需要用AC断接代替DC断接的应用中，只需利用OSC引脚上的一个电容器(负责设定内部振荡器频率)、ACOUT引脚上的一个RC网络(用于把AC信号加至端口)、和一个位于负电源路径中的AC隔离二极管，即可改变LTC4263的配置。

　　墙上适配器PSE

　　便携式设备具有不同的电压和功率要求。具PoE功能的设备(PD)内置了其特有的DC/DC转换电路，因而并不依赖于和电压合适的墙上适配器相连。当揣着这样的设备外出旅行时，就不再需要携带墙上适配器了；只需要一根以太网电缆。然而，在无法使用PoE但又需要为诸如电池充电器等装置供电的场合，一个简单的墙上适配器PSE可以很方便地插入壁装电源插座中，以把PoE功率输出至PD。这样的装置可以直接插入墙上插座。功率通过一个AC/DC转换器来提供PoE电源。这种简单的装置不需要具备任何智能，只需提供功率就可以了。LTC4263将提供PSE控制功能，从而实现了PD的安全检测和上电。如果有一个非PoE装置与该墙上适配器相连，则用户还能够从一个由LTC4263驱动的LED读出基本的故障信息。如果在一个墙上适配器上需要不止一个端口，则可采用多个LTC4263来实现一个PoE墙上适配器扩展器。电源管理功能可由LTC4263来提供，并根据电源的功率限值来设定。这将限制那些被加电及具有特定功率级别的端口数量。图3示出了一款针对30W的PD上电可用功率而配置的三端口墙上适配器。只要未超过设定的可用功率，则PD功率级别的各种组合都可以完成上电操作。例如：如果一个Class 3 PD首先上电，则分配给受电设备的15.4W功率将剩下足以为满足Class 1或2 PD所需的功率。

　　在多端口解决方案中，各端口的操作是相互独立的(电源管理除外)。在端口需要彼此隔离的场合，这也是有用的。此时，各端口将拥有其自身的隔离电源，且电源管理功能将不被采用。

　　不必对墙上适配器PSE的功率加以限制。这种设备可以永久地安装在墙内，并从一个老式(非PoE)交换器连接至一根以太网数据线，且可穿越墙壁。这样，插入墙上端口中的PD便能够同时接收数据和功率。墙上适配器可以具有一个分配地址。在发生紧急情况时(从一个与该位置相连的VoIP电话发来呼叫)，这提供了帮助信息。一个应急反应小组将立即获知呼叫发出的位置。

　　PoE功率输送器

　　低功率Class 1 VoIP电话的功耗小于3.84W。然而，如果针对一个Class 3 PD进行配置，则PD输入端上的最大功率将达12.95W。PSE将为设备保存完整的端口功率，从而在PD上留下了接近9W的未用功率。该未用功率可被用来增添额外的电话功能(比如：用于电视会议的摄像机)。这里，LTC4263在电话中被用作一个至扩展设备的功率输送器(图4)。

　　一开始，PSE通过PD接口控制器(在图4中和LTC4257-1一起示出)对设备进行检测、分类和上电。PD是针对Class 3进行设定的，并在RCLASS上布设了一个电阻器。功率用于电话，剩余的功率通过一个DC/DC转换器来使电压回升至正确的PSE输出电压(压降是由于电缆损耗和接口引起的)。由该新电压加电的LTC4263负责提供扩展设备的检测和安全上电。至摄像机的功率被加在空闲线对上，而数据则将通过位于数据线对上的以太网变压器。

　　由于可供新增设备使用的功率不到9W，因此功率输送器PSE只拥有适合Class 1(4W)或Class 2(7W)设备所需的足够功率。于是，针对8W功率来设定LTC4263的电源管理功能(通过调整PWRMGT引脚上的电阻器阻值来实现)。这允许上述两类PD当中的任一种接通，而Class 3(15.4W)为拒绝功率。扩展设备的设计必须满足Class 1或Class 2功率要求。当其级别提升电路被启用时，如果PD违犯了其功率级别，则LTC4263将取消扩展设备的供电。功率输送器设备本身必须确保其功率未超过与Class 1 PD相当的级别。如欲保持接通状态，则总功率(功率输送器设备功率与扩展设备功率之和)一定不得超过Class 3 PD的功率级别。

　　高功率解决方案

　　对于许多PD应用来说，13W的功率级别可以满足要求。不过，对具有更高功率的设备的需求正悄然兴起。具附加无线电收发装置的无线接入点有可能使用18W或更高的功率。具有左右、上下、及镜头推进／拉远功能(PTZ)的摄像机的功耗可达60W。在这些场合中，PoE PD 13W的功率限值是无法满足需要的。这种谨慎稳妥的功率级最初是针对标准而选择的，但是，许多与以太网线路相连的设备对更高功率的需求却正在呈现一种不断攀升的势头。

　　IEEE已经成立了一个委员会，专门负责定义一种新的高功率PoE标准。与此同时，高功率PoE已经开始在准标准系统中推行。LTC4263-1是在LTC4263的基础上派生出的一款高功率版本，业已在高功率准标准解决方案中投入使用。这款新型PSE控制器可提供与LTC4263相同的PD检测以及端口上电和断电功能，但其电流限值超过了IEEE 802.3af标准中的设定值，从而使得两个线对上的端口功率几乎增加了一倍。标准是为适应当时的以太网产品而定义的。但是，随着电流的提高，人们还必须留意那些与电源路径相连的设备。以太网变压器就是一个例子。必须采用一个特殊的变压器，它不仅能够应对较高的功率，而且还能解决电源线路中的任何失衡问题。

　　图5示出了一个千兆位以太网系统中的高功率PSE、4线对可选项。在第一组数据线对上，LTC4263-1负责控制输送至一个高功率PD的功率。在另一端，一个高功率PD接口控制器(LTC4264)负责接收功率并将其传送至一个DC/DC转换器。针对更高功率的一个可选项是：在第二组数据线对上增设一个LTC4263-1，并在接收端上增设一个自带DC/DC转换器的LTC4264。两个DC/DC转换器随后进行求和运算，提供了电流平衡作用，以补偿变压器、电缆和连接线之间的电阻差异、以及二极管的压降差。新型产品将继续涌现，以实现高功率PoE和标准的电源技术。