（电力电子与电力传动专业论文）以太网供电技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a e t a b s t r a e t e t h e r n e ti sm o s t l yu s e di nd a t at r a n s m i s s i o np r e v i o u s l y , s ot h a tt h ee t h e m e td e v i c em u s tw o r k w i t ho w nb a t t e r yo re x t e r n a ls u p p l ya d a p t e r t h es t a n d a r dw h i c he t h e m c tc a l la l s ot r a n s f e rd e p o w e rs u p p l yi nd a t at r a n s m i s s i o nl i n ei sd e f i n e di ni e e e8 0 2 3 缸p r o m u l g a t e di nj u n e ，2 0 0 3 ，a n d i te x p a n d sn e wa r e af o re t h e m e ta p p l i c a t i o n ，a n dt h et e c h n i q u eo fp o e ( p o w e ro v e re t h e m e t ) b e c o m e st h en o v e la n dp o t e n t i a la r e aw i t hg o o dp r a c t i c a lf u t u r e t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fe t h e m e tp o w e rs u p p l yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf i r s t l y c o r r e s p o n d i n g l yt h eo v e r v i e wo fp o ed e v e l o p m e n ti sp r e s e n t e d , i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d f u n c t i o n o f p r o d u c t a n dc o n l r o lc h i p o f r e l a t i v es e m i c o n d u c t o r c o m p a n y s e c o n d l y , t h es t a n d a r dp o es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h ec o m p r e h e n s i o na b o u tt h ef e a t u r eo f e t h e r n c ts i g n a la n dh i g h - f r e q u e n c yn e t w o r kt r a n s f o r m e r f o l l o w i n gi e e e8 0 2 3 a fs t a n d a r d ，t h e c o m p l e t ed e s i g ns u a t e g yo fp o es y s t e mc o n t a i n i n gp s e ( p o w e rs o u r c i n ge q u i p m e n t ) a n dp d ( p o w e rd e v i c e ) i sp r o p o s e db ym e a n so fn o v e lc o n t r o lm a n a g e m e n tc h i po fp o w e rs o u r c i n g i n a d d i t i o n ，h a r d w a r ed e s i g n , i d e ao fs o f t w a r ef l o wc o n t r o la n dr e l a t i v ee x p e r i m e n t a lr e c o r da r e p r e s e n t e d f i n a l l y , b e c a u s et h ep o w e rp r o b l e m ，w h i c ht h em a x i m u ms u p p l yp o w e ri s1 3 wi ni e e e8 0 2 3 a f s t a n d a r d , r e s t r i c t st h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fe t h e m e tp o w e rs u p p l y b a s e do np r f f v i o u sr e s e a r c h ，a n o v e lp o es y s t e mp l a n ，t r a n s f o r m e rp a r a l l e lm o d ei s p r o p o s e di np o w e re x p a n s i o n t h ep o e s y s t e ma f t e rp o w e re x p a n s i o ni sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sp r o g r e s s ，a n dt h es u i t a b l e d e s i g n p a r a m e t e r ss u i t a b l ef o re x p a n d e ds y s t e mi sg i v e n k e ) _ m n 血：p o w e ro v e re t h e r n a t ；i e e e8 0 2 3 a fs t a n d a r d ；p o w e rs o u r c i n ge q u i p m e m ；p o w e r d e v i c e ；e t h e m e ts i g n a l ；p o w e re x p a n s i o n l 】 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 长久以来，以太网都用于传送数据，以太网设备必须自带电池或者与外部 a c 电源相连才能正常工作。一般来说，诸如i p 电话设备、无限局域网接入设备、 笔记本电脑和网络照相机等都需要两个接口：一个连接到局域网，另一个连接到 交流供电网。这样，除网线之外，电源线不可缺少。因此为每一台设备架设电源 线花费不菲，并且要为设备安装u p s 或建立独立的后备电网，然而实现这两种方 法费用都不小。并且，许多设备必须安装在特殊位置上才能最佳运行，而在这些 位置很少能找到电源插座。因此，新的供电方式呼之欲出，这也满足了市场新的 需求。 p o e 起源于2 0 0 0 年思科( c i s c o ) 公司的i p 电话系统。当思科公司向市场 推出i p 电话系统时，许多传统的厂商提出许多质疑：由于i p 电话机需要从墙上 的电源插座提供电源，不能满足在仅有电话网络条件下的可靠性以及紧急情况的 需求。为此，思科公司提出了通过以太网来提供电能的技术解决方案。 2 0 0 3 年6 月i e e e 最终通过了8 0 2 3 a f ”1 标准，它明确规定了远程系统中的 电力检测和控制事项，以太网供电p o e ( p o w e ro v e re t h e r n e t ) 市场从此得到了 飞速的发展。 在i e e e8 0 2 3 a f 标准下，如i p 电话、无线接入点等功率小于1 2 9 5 w 的设 备都可以通过以太网电缆来提供电源。i e e e8 0 2 3 a f 是电源传输协议而不是数 据协议。该标准对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向i p 电话、安全系 统以及无线l a n 接入点等设备供电的方式进行了规定。3 。这种供电方式除去了网 络设备对于电源线以及壁式变压器的要求。在此标准下的新型的以太网供电设备 要具有良好统一的数据电源接口。 1 1 以太网供电的背景 1 1 1i e e e8 0 2 3 a f 简介 为了规范p o e 应用，i e e e8 0 2 3 工作组从1 9 9 9 年开始着手制定8 0 2 3 a f 标 准，最早参与的厂商有3 t o m 、i n t e l 、p o w e r d s i n e 和n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 等等。最终于2 0 0 3 年6 月通过最终的i e e e8 0 2 3 a f 标准，对于网络供电的电源、 传输和接收都作了详尽的规定。在i e e e8 0 2 3 a f 协议中，重点介绍了如何通过 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 以太网网络媒质( 包括普通以太网线缆及r j 4 5 接口) 向网络上的数据终端设备 “1 供电的具体实现，这同时也是p o e 的技术的核心内容。 同数据网相对应，i e e e8 0 2 3 a f 技术支持点到多点的电力分配。用户只需 在网络核心部位配备一套u p s 设备就可以为本地网内多种分散设备提供电力备 份，并且i e e e8 0 2 3 a f 技术还提供基于w e b 控制的s n m p 远程访问和管理。这 样的供电方式除了在实施上方便外也解决了在市电断电后类似于i p 电话、无 线局域网继续工作的问题”1 。 i e e e8 0 2 3 a f 标准的主要目的就是要通过以太网线缆供电，降低开支，进 而为i p 电话和无线接入设备等各种网络设备的推广带来更大便利。p o e 技术之 所以被看好，是因为与现有的电源管理设备相比，其具有成本低、接入点位置灵 活、可靠性高、可以基于w e b 控制进行s n m p 远程访问和管理等众多优点。 1 1 2以太网供电的设备和方式 在i e e e8 0 2 3 a f 标准里，一个完整的p o e 系统包括供电端设备( p s e ，p o w e r s o u r c i n ge q u i p m e n t ) ，受电端设备( p d ，p o w e rd e v i c e ) 两部分”1 。p s e 设备是 为以太网交换机客户端设备供电的设备，同时也是整个p o e 以太网供电过程的管 理者。而p d 设备是接受供电的i p 电话、网络安全摄像机、a p 掌上电脑( p d a ) 或 移动电话充电器等许多其他以太网设备。两者基于i e e e8 0 2 3 a f 标准建立许多 方面的信息联系，并据此p s e 向p d 供电。这些信息包括了受电设备检测、供电 监控以及模块测试的各种相关技术指标。简单的说，供电设备p s e 不仅要能够对 受电设备p d 供电，而且还具有对p d 检测、分级和故障处理等功能。 i e e e8 0 2 3 a f 标准定义了两种供电方法：中跨式( m i d s p a n ) 供电和端点式 ( e n d s p a n ) 供电”1 。中跨式供电时使用传输电缆中没有使用的备用线对来提供 直流电能，而端点式则是在传输数据的电缆上叠加直流电能进行传输。两种供电 方式如图1 1 和图1 2 所示。 目前端点式供电更受青睐，其原因是在实际应用中，这种方法可以内嵌入支 持以太网供电的交换机中，用户常购买此类交换价用于i p 电话或无限局域网。同 时，端点式供电允许千兆级以太网供电，可以提供l o 1 0 0 1 0 0 0 m b p s = _ 种速度的 网络连接。因此，本文的主要研究内容以及后面章节的p o e 系统设计方案正是基 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 于端点式供电模式。 仁捌j * 矮 空一 弛占狱 l 1 j l 专 售号膏 m l _ r 一虢 1 一 敞 空 l固d 瓣 暨凸。 ，c o 声t i 固6 瓣 i 砬 空 图1 1 中跨式供电图1 2 端点式供电嘲 1 1 3 以太网供电原理 在以太网两种供电模式中，中跨式供电由于利用了备用传输线对进行电信号 的传输，与网络信号的传输不相关，因此供电原理显而易见；而端点式供电之所 以能够施行，跟以太网信号的特点有着密切的联系。如图1 3 所示，直流电能通 过高频网络变压器的副边中间抽头耦合到传输线上。 图1 3 端点式供电下信号和电能的耦合”。 根据计算机网络中相关内容，以太网信号经过曼彻斯特编码的差分信号，两 信号之差才决定真正的数据。在这种差分传输的模式下，直流电能相对于高频交 流信号来说相当于一个共模成分，因此发送线对和接受线对之间的一个共模电 压差不会对数据传输产生影响，可以保证数据的可靠性与有效性。在第四章中， 将通过实验来总结验证。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 以太网供电的研究意义 1 2 1 以太网供电的优势和范围 很长时间，双绞线以太网已经成为了面向局域网的最常用方法。i e e e8 0 2 3 工作组在原标准的基础上做了修改，制定出i e e e8 0 2 3 a f 标准。这个标准允许通 过用于数据通信的电缆同时传送d c 功率，这无疑为以太网供电开拓了新的市场。 利用这种结构，小型低功率设备能够通过以太网线路来供电，而无需外部提供a c 电源。 以太网供电的优势很明显，总得来说具有成本低、接入点位置灵活、可靠性 高、可以基于w e b 控制进行s n m p 远程访问和管理等众多优点，从而大大提高了电 源的管理以及使用效率。具体可以总结为以下几点： ( 1 ) 供电设备简单。供电只需一根电缆，节省空间。 ( 2 ) 节约成本。因为许多带电设备都需要安装在难以部署a c 电源的地方，以太 网供电使其不再需要昂贵电源和安装电源所耗费的时间，节省了费用和时间。 ( 3 ) 安全。因为根据i e e e8 0 2 3 a f 的要求，供电设备只会为需要供电的受电设 备供电，只有连接有效的受电设备，以太网电缆才会有电压存在，因而消除了线 路上漏电的风险。 ( 4 ) 兼容性高。由于符合新的i e e e 8 0 2 3 a f 标准的以太网设备能够与现有以太 网电缆共存以及老式的网络设备并存，所以用户可以自动、安全地在网络上混 用。 ( 5 ) 供电方式简单。一个单一的u p s 就可以提供相关所有设备在断电时的供电。 通过采用以太网供电技术，可以降低开支，进而为i p 电话和无线接入设备等 各种网络设备的推广和使用带来更大便利。目前以太网供电应用主要存在于i p 电话、无线设备( w i f i ) 的接入、销售点终端和智能插座交换机等领域。其中在 无线局域网访问点a p 、小型企业a d s l 宽带接入路由器以及基于w e b 的摄像监控系 统中有着更加明显的优势。因为数据中心通常都有u p s 或者备用电源，这样即使 外接设备的电源出现故障，通过以太网供电，仍然可以保证i p 电话能够工作，保 证连接在w l a n 上的计算机能够访问数据中心，保证a d s l 能够接到i n t e r n e t ，也可 以保证视频监控系统的正常工作。 随着以太网技术的推广和普及，其在工业领域的发展前景会更加广阔，有望 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 实现很多新的设备和应用，例如各种接入网络的工业监测仪表、实现网络化的“智 能大楼”、使用网络电源给移动电话和个人数字助理( p o a ) 充电等等。举例来说， 采用了这项技术，普通网络管理员就可以轻松地监控各种网络设备电能的使用情 况进而制定这些设备的工作政策，而且由于该技术支持点到多点的电力分配功 能，所以只需在网络核心部分配备一套u p s 设备就可蹦为本地网内多种分散设备 提供可靠的电力备份。 1 2 2 研究课题来源和意义哪 本研究课题全称是：以太网远程供电电源系统，是企业和高校合作的科研项 目，主要研究目标是构建具有较高兼容性和通用性的，并具有智能监控功能的基 于网络或通信线传输的模块化远程供电电源系统。 随着网络信息化的大发展，有许多网络电子设备诸如有线电视适配器、路由 器、光端机、无线基站、小灵通基站发射、实时监控设备等实时要求高的设备， 需要提供优质的不间断供电电源。比如我们对电信网的可靠性要求是大于9 9 9 9 ，也就是说，每年由于通信网的原因致使用户不可用的时间累计不能超过5 3 分钟。然而就是我国发达地区商业电网的可靠性也很难达到这个标准。在欠发达 地区，离这个标准就差的更远了。即使在欧美等发达国家，商业电网的可靠性也 远比电信网差，机房外设备供电系统的可靠性也是这些国家电信运营商面临的一 个头疼的问题。可见在目前这种状况下，通信网络设备尤其是机房外的供电不能 只依靠商业电网。 i e e e 颁布了8 0 2 3 a f 标准之后，以太网扩展了一个新的应用领域。i e e e 8 0 2 3 a f 标准的大多数增补均以改善以太网数据传输能力为着眼点。远程以太网 供电并未提高以太网的数据传输能力，但是它实现了d c 功率与1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 数据的传输。一个完整的p o e 系统包括供p s e 和p d 两部分。p s e 设备和p d 设备 的定义、实例以及特点在绪论部分已经介绍过，两者基于i e e e8 0 2 3 a f 标准建 立有关受电端设备p d 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p s e 通过以太网向p d 供电。 采用这种远程供电的方法可以有效地保障网络的通畅，在机房中心设有交换 处理设备以及远程供电设备进行统一的数据传送和电源传送，将数据线和电源直 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 接引入用户家中，该技术的实现可能使笔记本电脑将来不再需要任何笨重的电池 和繁琐的插头，因为只要能连上网络，网线将自动为联网设备供电，这样用户就 不用考虑到电的问题，方便使用，同时也减小了因为电源问题而导致的故障。 以太网远程供电( p o e ) 的意义在于可节省电源布线和配电的成本，更重要 的是，它使得管理人员可利用安装在网络核心的一台u p s 为分布在局域网上的多 台设备提供后备电源，同时网络管理人员可在自己的网络布线室内集中地管理网 络和电源配电，从而帮助简化管理并降低运行成本“”。这样的供电方式除了在实 施上方便外，也解决了市电断电后以往的类似i p 电话、无线局域网不能工作的 问题。图1 - 4 所示是一个典型的以太网供电系统。 无线局域 网络相机 网接入点 图1 4 一个典型的以太网供电系统m 1 3p o e 技术的研究现状 1 3 1 以太网供电产品 目前比较成熟的是在以太网中的远程供电技术，其标准是i e e e8 0 2 3 a f 。 而以太网供电设备必须是l a n 内部的低电源产品，包括i p 电话机、网站摄影机、 无线桥接器、收银机、安全存取与监测系统等。 这两年国内外一些公司陆续研发推出了具有以太网供电功能的以太网交换 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 器、路由器、集线器等产品。 思科( c i s c o ) 公司对c a t a l y s t 产品进行了一系列增强，c a t a l y s t 6 5 0 0 和 4 5 0 0 系列交换机均能提供基于i e e e8 0 2 3 a f 标准的1 0 1 0 0 和1 0 1 0 0 1 0 0 0 兆 自适应接口模块，增强后的c a t a l y s t 3 7 5 0 交换机也融合了p o e 技术。同时，针 对p o e 技术，思科公司还专门开发了c a t a l y s t 3 5 6 0 以太网交换机。 阿尔卡特o m n i s w i t c h 7 0 0 0 系统是支持以太网供电的交换产品，可提供关键 软、硬件部件冗余。用户在o m n i s w i t c h 7 0 0 0 机箱下安装一个独立的小型电源架， 然后连接外部的电源线到提供在线供电以太网模块( 0 s 7 一e n i p d 2 4 ) 的 o m n i s w i t c h 7 0 0 0 的机箱。在线直流供电模块符合i e e e8 0 2 3 a f 标准，可通过以 太网双绞线的4 5 、7 - 8 线对来传送直流电源，该模块支持自动检测和电源管理。 每个端口最大可以提供1 6 8 w 的直流电源输出。 f o u n d r y 的f a s t i r o ne d g e2 4 0 2 4 8 0 2p o e 提供2 4 或4 8 个l o l o o b a s e t x 端口，并内置2 或者4 个1 0 0 0 b a s e t x 铜线接口与m i n i g b i c 光接口的集成端口。 在所有l o 1 0 0 m b p s 端口上提供基于i e e e8 0 2 3 a f 标准的以太网供电。通过单一 电源可提供高达4 8 0 w 的p o e 专用电力供应，能够为系统内的所有端i e i 提供每端 口1 5 w 的电力供应。 h p 的s w i t c h 2 6 5 0 一p w r 和2 6 2 6 - - - p w r 符合i e e e8 0 2 3 a f 标准，支持以太网 供电，每个端口提供1 5 4 w 的功率，为i p 电话无线接入点w e b 摄像头等提供 电源。 n e t g e a r 的f s m 7 3 2 6 p 提供2 4 个l o l o o b a s e t x 端口并内置两个1 0 0 0 b a s e t x 铜线接口与m i n i g b i c 光接口的集成端口。在所有l o l o o m b p s 端口上提供基于 i e e e 8 0 2 3 标准的以太网供电。交换机内置的冗余电源可以使v o l p 网络与无线 局域网的可靠性大大提高。数据交换与电源管理在同一个设备当中完成，同一根 双绞线电缆同时完成数据传输与电源输送。依靠其电源管理特性以及智能化的 2 3 层数据交换特性，结合n e t g e a r 企业级具以太网供电功能的无线接入点w g 3 0 2 和w a g 3 0 2 ，为企业级用户提供完整的解决方案。 北京港湾网络有限公司在国内推出支持远程供电的以太网交换机，a p 2 0 0 0 支持i o i o o m 以太网上行和v d s l 上行，均为可选择模块，两种上联方式均支持 远程供电。在普通的五类线中，4 对线中有2 对用来传输信号，剩下2 对线没有 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 传输信号，就用来传输电源，电压为4 8 v 。 若现有以太网系统中已经配置了不支持远程供电的以太网交换机，为了便于 不更换交换机实现以太网供电，一些国外的公司也推出了以太网远程供电模块。 如n e t g e a r ( 美国网件公司) 的无线a p 用以太网线远端供电模块p o e l 0 1 ，方便 了无线局域网接入点a p 的工程布置。p o e l o l 包含一个基本单元和一个终止单元， 可通过标准的5 类以太网双绞线将无线a p 扩展远至1 0 0 米的距离。p o e 基本单 元包括电源输入和i o i o o m 以太网输入端口，输出端口是1 0 1 0 0 m 以太网带d c 电源。p o e 终止单元包括i o i o o m 以太网带d c 电源的输出端口，电源输出( 最 大5 v d c ，2 5 a ) ，和i o i o o m 以太网输出端口。 1 3 2 以太网供电控制管理芯片 除了上述的这些产品之外，p o e 技术的广泛应用还为生产电能控制管理芯片 的厂商带来了挑战。自i e e e8 0 2 3 a f 正式颁布以来，很多半导体公司纷纷投入 了p o e 控制芯片市场的开发1 ，包括美国国家半导体( n s ) 、p o w e r d s i n e 、凌特 ( l i n e a r ) 、德州仪器( t i ) 、美信积体( m a x i m ) 、意法半导体( s t m i c r o e l c t r o n i c s ) 以及s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 等等。其中，美国国家半导体公司仅提供p d 芯片， 其他厂商则提供p s e 及p d 芯片“。下面分别对这些厂商生产的p o e 控制芯片进 行介绍，对比其不同的特点。 美国国家半导体( n s ) 公司于2 0 0 4 年1 0 月1 2 日宣布推出首款高性能、封 装小巧的p o e 电源管理芯片l m 5 0 7 0 。l m 5 0 7 0 是业内首款设有电源管理接口端口 及p 删，而且符合i e e e8 0 2 3 a f 技术标准的单芯片p d 端控制器“”，其内部结构 图如图1 5 所示。 可以看出，l m 5 0 7 0 设有一个8 0 v 、4 0 0 m a 的线路连接开关、相关的以太网供 电接口电路以及能够将4 8 v 直流输入电压降低至适合不同负载采用的d c d c 控制 器。d c d c 控制器工作在电流模式控制下，并且工作频率高。设计者可自行设定 过低电压临界点及磁滞，而故障电流控制回路则具有很高的准确度。相对于i e e e 8 0 2 3 a f 规定的标准4 8 v 供电电压，其最高电压可以达到7 5 v ，振荡器频率则高 达1 m h z ，并且可以设定其工作值。美国国家半导体公司利用l m 5 0 7 0 设计的p d 端控制模块的参考设计拓扑图如图1 6 所示。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 5l m 5 0 7 0 芯片结构图1 尘忸鬯 i ”半半1 个_ i t 个i 6 。 个个个li f 气 艋? 、 * 一j vj 刊1 1 篙nh i i t 絮 - j l r 。f 。目基 目 鞘黾 u n 0匹 9 0 甜 怖 l r c l p甩 j m n 咖 i i , i i +啦 令 = 一 x h - mm 臼二 n 懈铲n 。0 图1 6l m 5 0 7 0 构成的p d 端参考设计“” 上图所示是一种p d 控制器的典型设计，5 v 7 w 输出，具有低成本，高效率 等优点。此外，它还充分了利用n s 的例如模拟芯片、电源管理、以太网网络、 超小型封装等等各种先进的技术。 除了美国国家半导体公司( n s ) 之外，在p o e 市场上具有很大竞争优势的就 是德州仪器公司( t i ) 的p o e 产品。由于相对比较专注于p o e 产品的研发，迄今 为止，德州仪器已近推出几代控制芯片。相比于n s 只提供p d 芯片，德州仪器分 别推出了p s e 端和p d 端的控制芯片，例如2 0 0 5 年t i 推出的p d 端第三代控制芯 片t p s 2 3 7 5 0 ”，是结合了之前t p s 2 3 7 5 用电设备( p d ) 功能性与初级 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( p r i m a r y s i d e ) d c d c 脉宽调制( p w m ) 控制器的高集成度i c ，能够对最终设 备d c 电源的发现、分类与交付进行高效管理。t p s 2 3 7 5 0 最大优势就是可以承受 高达i o o v 的瞬态电压，这相比于i e e e8 0 2 3 a f 中规定的4 8 v 有了很大的提高。 p o w e r p a d 封装内置了0 6 - 0 7 欧姆的m o s f e t ，可以使得功耗降至一个很低的水 平。 此后不久，针对于供电功率问题，德州仪器推出一款2 6 w 以太网供电控制器 t p s 2 3 7 6 一h j “，其通过标准以太网线缆为众多以太网供电的设备提供多达两倍的 电量，无需使用a c 线，包括i p 监控摄像头、w i m a x 接入点设备及会议i p 电话 等。在p s e 侧，德州仪器同样有产品问世。在供电端口数上，第一代t p s 2 3 8 3 具 有8 端口，可以对8 个以太网端口进行供电管理。它具有1 2 位实时电流与电压 测量功能，带有a c 断接检测，此外还带有r c 串行接口，光隔离等功能，与同 类芯片相比，具有较好的性价比和可靠性，t p s 2 3 8 3 内部功能框图如图1 7 所示。 而t p s 2 3 8 3 之后的第二代p s e 芯片t p s 2 3 8 4 则最多可以支持4 8 个端口。这 款芯片能够对用电设备端设备的发现、分级以及向用电设备的供电进行高效管 理，并且可以提供电源管理控制与保护。比t p s 2 3 8 3 性能更优的是，t p s 2 3 8 4 可 以工作在自动模式、端口管理模式或者手动操作模式下。自动模式下，如果未检 图1 7 t p s 2 3 8 3 内部功能框图 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 测到相应的p d ，将不连接电源；在端口管理模式下，主机可以在每次显示操作 完成后，读取a d 电阻寄存器的内容，并设置接受或拒绝该电源设备的限制条 件，而且可以与单片机共同工作，执行高级电源管理功能并检测原有的电容负载。 在手动模式下，t p s 2 3 8 4 能够极大限度地减少所需的外部元器件数目，从而使每 个端口只需一个外部电容器“”。 德州仪器在p o e 控制芯片生产上的完备性决定了其在业界具有很强的竞争 力，诸如t p s 2 3 8 3 与t p s 2 3 7 0 这种p s e 和p d 完备的组合也给使用者在选择时提供了 极大的方便。 与德州仪器类似，凌特公司( l i n e a rt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 在以太网 供电领域的实力也很强大。在i e e e8 0 2 3 a f 标准出台之后，l i n e a r 迅速进入了p o e 领域的研发，其在业界领先的具有热插拔技术( h o ts w a p ) 的p s e 控制器l t c 4 2 5 8 与l t c 4 2 5 9 a 更是其中的代表。l t c 4 2 5 8 具有8 0 2 3 a f 检测和分级、正常或者错误运 行的电流限制以及d c 断接检测；l t c 4 2 5 9 a 在此基础上增加7 a c 断接检测功能。这 两款控制均可以自主运行或者微控制器控制模式下运行，后者通过双线1 2 c 总线 与主机联系，因此需要非常少的软件支持。外置器件为功率m o s f e t 以及与此相配 合的检测电阻，电源部分采用4 8 v t 作的高电压技术，复杂逻辑与接口则采用3 3 v 电源。对于有些只需要个供电端口的工作条件，l i n e a r 同样有l t c 4 2 6 3 来支持， 它只需要少数几个外部组件就可以实现p s e 解决方案，用户使用起来十分方便。 在全自动工作模式下，应用l t c 4 2 6 3 的单端口p s e 电路如1 8 所示。 1 a 图1 8l t c 4 2 6 3 构成的单端1 5 1p s e n 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 除了以上提到的美国国家半导体、德州仪器和凌特之外，在p o e 市场的角逐 中，还有其他的一些厂商值得我们关注的。 以色列的p o w e r d s i n e 专注于p o e 领域的开发，它推出了支持1 2 个端口应用 的高端口数p o e 芯片，以及支持5 8 端口交换机设备的低端口数芯片：意法半导 体则是推出了整合m o s f e t 、频率振荡器、5 0 m h z 产生器、电源管理主机控制器及 3 3 v 直流转换器的1 2 端口p s e 芯片s t e l 2 p s 。 s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 则是推出p o e 控制器，将多个外部高电压零件整合 到p d 设计，内建二极管桥式电路、瞬时突波抑制电路和交换稳压器f e t 晶体管 的p d 控制器“。 通过比较可以看出，不同厂商生产的不同的电能控制管理芯片各有特点，但 其共性是高度集成化、功能全面化以及操作简单化，保证与i e e e8 0 2 3 a f 标准 的通用性和兼容性。从各种不同产品的特点中可以预测，p s e 端更高集成度、高 端口密度的管理方案以及更高输出功率的应用方案是未来发展趋势。而对于不同 产品之间，兼容性是首要考虑的问题，这需要从p s e 端和p d 端同时来解决。 1 4 本论文主要研究内容 本论文第二章对p o e 系统进行总体设计。在对p o e 供电的传输介质、以太网 信号和高频网络变压器的传输特性等研究的基础上，给出总的p o e 设计方案和框 图。 本论文第三章具体地介绍了符合i e e e8 0 2 3 a f 的标准p o e 系统的设计方法， 包含完整的p s e 和p d 模块。此系统工作在d c4 8 v 条件下，并具有8 0 2 3 a f 标准 所要求的电能控制管理功能。另外还包括硬件电路和软件策略的具体设计方案及 相关的原理拓扑、测试波形和实验结果等，以及此系统的工作过程。 第四章进行扩展功率后p o e 系统的设计。考虑到现有的i e e e8 0 2 3 a f 供电 功率的限制，通过多变压器并联模式、新检测特征电阻定义以及不同于i e e e 8 0 2 3 a f 标准的新功率协议的制定来解决功率扩展问题，并进行可行性实验验证 和扩展后功率的p o e 系统设计。 以太网网络设备的发展速度是惊人的，随着用户的不断接入，可以预计采用 p o e 技术的网络设备的数量每年呈大幅度上升趋势。随着人们对于以太网供电这 浙扛大学硕士学位论文第一章绪论 种新型的供电方式的认知和市场对于p o e 的需求，设计和生产符合要求的p o e 系 统或者是p s e 和p d 控制器已经变得相当重要。本文所研究的标准p o e 系统设计 方案正迎合了这一要求，并且具有通用性和节约成本等优点。而对不局限于1 3 w 这一功率等级的新的设计方案的研究，使得这一课题更加具有非常重要的意义。 浙江大学硕士学位论文第二章p o e 系统的总体设计方案 第二章p o e 系统总体设计方案 本章将介绍以太网供电系统中的传输介质的特点，并实验测试以太网信号和 所选网络高频变压器的传输特性，结合i e e e8 0 2 3 a f 标准对于p o e 系统的要求， 给出标准p o e 系统的设计框架。这种设计符合i e e e8 0 2 3 a f 标准，扩展功率后 p o e 系统的设计见第四章。 2 1 网络传输介质简介 。 在以太网供电系统中，传输介质起着非常重要的作用。没有传输介质，以太 网供电无从谈起。因此，在进行以太网供电系统设计之前，有必要对以太网传输 介质进行深入的了解。 局域网就是将单独的微机或终端，利用通信线路相互连接起来，遵循一定的 协议，进行信息交换，实现资源共享。其中，通信线路，即传输介质常用的有： 双绞线、同轴电缆、光纤等。这三种传输介质的特点如表2 1 所示。 表2 i 不同的网络传输介质的比较删 传输介质名称特点 双绞线价格便宜，接入和布线都很简易，具有很强的干扰抑制 能力；传输速率低，传输距离短。 同轴电缆安装费用低，维护成本低，安装简单，扩充方便；传输 速率较慢。 小叟朵讯、甲昔、电磁、破等之十犰，帝苋向，传莉距禺 光纤远，传输速率最高，重量轻，体积小，保密性好；价格 高，接入困难。 通过上表可以发现，由于在价格、传输速率、传输距离以及接入的难易程度 等方面存在差异，局域网的综合布线工程中最常使用双绞线作为传输介质。由于 双绞线电缆的广泛使用，本文的研究的以太网供电的传输介质选定为双绞线电 缆，并基于此进行p o e 系统的设计方案。对于另外两种传输介质，这里不做深入 讨论。 _ 双绞线由8 根不同颜色的铜线组成，为了尽可能减少电磁辐射与外部电磁干 扰的影响，每两根线绞合在一起共形成4 对，双绞线也因此得名。一般来说，双 绞线扭绞得越密，其抗干扰能力就越强。在国际电工委员会和国际电信委员会 e i a t i a e 1 e c t r o n i c i n d u s t r ya s s o c i a t i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n i n d u s t r y 浙江大学硕士学位论文第二章p o e 系统的总体设计方案 a s s o c i a t i o n 标准”中，将双绞线按使用领域分为5 个类别( c a t e g o r i e s 或者简 称c a t ) ；如果按照电气性能进行划分，通常分为三类、四类、五类、超五类、 六类和七类等类型，数字越大，版本越新、技术越先进，相应的价格也就更昂贵。 双绞线可按其是否外加金属网丝套的屏蔽层又可以分为屏蔽双绞线( s t p ) 和非屏蔽双绞线( u t p ) 。由于s t p 外面有一层金属材料包裹，可以有效地减小辐 射，防止信息被窃听，同时具有较高的数据传输率，但价格相对要贵，安装也比 较复杂；而u t p 相对来说价格便宜，组网更方便，因此从性价比和可维护性出发， 大多数局域网使用非屏蔽双绞线( u t p ) 作为布线的传输介质来组网。 在网络中最常用的是三类线c a t - 3 和五类线c a t 一5 。前者在局域网中常用作为 十兆以太网的数据与话音传输，符合i e e e8 0 2 31 0 b a s e t 的标准，而后者目前 占有最大的局域网市场，最高速率可达百兆，符合i e e e8 0 2 3l o o b a s e - t 的标准。 但在目前以太网市场的应用中，c a t - 3 已经几乎没有了。为了适应更高网络传输 带宽，通常选用c a t - 5 作为传输线，所以在局域网组网中最常见的是c a t 一5 型u t p 电缆。该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为1 0 0 m h z ， 用于语音传输和最高传输速率为1 0 m b p s 的数据传输，主要用于i o b a s e t 和 i o o b a s e t 网络”1 。c a t 一5 型电缆线如图2 1 所示。 图2 1c a t - 5 型电缆线 c a t 一5 型电缆的两端需要连接r j 4 5 水晶头，网络设备接c i 处需要安装r j 4 5 插座，网线与诸如网卡等网络设备之间依靠r j 4 5 水晶头和r j 4 5 插座相互连接。 相应地r j 4 5 插头座也区分为三类或五类电气特性。r j 4 5 水晶头由金属片和塑料 浙江大学硕士学位论文第二章p o e 系统的总体设计方案 构成，特别需要注意的是网线引脚序号。当金属片面对我们的时候从左至右引脚 序号是卜8 ，这序号做网络联线时非常重要。不能搞错。图2 2 所示为r j 4 5 接 头实物。 图2 2r j 4 5 接头 e i a t i a 的规定了两种双绞线的线序5 6 8 a 与5 6 8 b ： 标准5 6 8 a ：橙白一1 ，橙一2 ，绿白一3 ，蓝一4 ，蓝白一5 ，绿一6 ，棕白一7 ，棕一8 ； 标准5 6 8 b ：绿白一1 ，绿一2 ，橙白一3 ，蓝一4 ，蓝白一5 ，橙一6 ，棕白一7 ，棕一8 。 网线两端线序一样，都适用5 6 8 a 这个标准的网线叫做直通线，也叫直连线 或正线；而一端是5 6 8 a ，另一端是5 6 8 b 的称为反线。在网络终端，p c 机与h u b 之间的连接用的是正线，这也正是在后面的p o e 系统需要注意的线序问题。 在网络传输中，4 对线中只有两对用来传输数据，而另外两对作为备用线对 存在。比如，i o m 以太网的网线使用l 、2 、3 、6 号线传递数据，1 号和2 号线作 为发送线对，而3 号和6 号线作为接收线对。 至此，对网络传输介质，主要是c a t 一5 型电缆有了理论上的认识，这也为后 面研究以太网信号和进行p o e 系统设计提供了技术支持。 2 2 以太网信号和网络变压器传输特性测试 在以太网供电系统中，起关键作用的有两个因素一以太网信号和高频网络变 压器。本实验将对这两者的性能特点进行测试，为标准p o e 系统的设计和新方案 的研究奠定基础。 浙江大学硕士学位论文 第二章p o e 系统的总体设计方案 2 2 1 以太网信号测试 测试目的：将以太网信号看作是电平信号，用高频示波器进行观测，对以太网 信号进行感性认识； 实验仪器和测试方法：l e e o r yl t 3 7 4 示波器交流耦合模式观测； 实验测得以太网信号波形如图2 3 所示。 陌习 2 “” 厂泰广、 f - -、 ：厂、广_ ，一 i l l 7 乙 i l 图2 _ 3 以太网信号波形 实验小结： 信号的频率为5 m h z ，幅值大约1 6 v 。信号波形理论上是方波形式的高低电 平，但由于信号在经过网络变压器，传输介质等会发生衰减畸变，以及线路干扰 之类的问题，波形会发生变化。由实验波形图可以看出，网络信号的波形已经从 方波畸变成类似正弦波式的波形。 2 2 2 网络变压器传输特性测试 本章实验包括后面两章进行p o e 系统设计采用的高频网络变压器为中山市 汉仁公司的h r 6 1 1 7 4 0 。h r 6 1 1 7 4 0 将两个高频网络变压器集成在其内部。变压器 的副边中间抽头用来耦合直流电能，电流分两路经过变压器副边。变压器第4 、 5 、1 2 、1 3 引脚闲置，原边和副边的机构和脚序略为不同。高频网络变压器实物 以及引脚排序图如图2 4 和图2 5 所示。 测试目的：通过测试同一频率等级下不同频率值的标准信号和以太网信号经过网 络高频变压器前后的变化，得到实验用网络变压器传输特性。 实验仪器和测试方法：实验信号为信号发生器产生