如何设计兼容现今产品并着眼未来的 PoE 受电设备

1、如何设计兼容现今产品并着眼未来的 PoE 受电设备 HYPERLINK /TECHTERM/ART/IEEE+802.3af.HTM IEEE 8022.3aaf 以以太网供供电( HYPERLINK /TECHTERM/ART/PoE.HTM PPoE)标准描描述了如如何通过过以太网网 CAAT-55 电缆缆分配最最高达 12.95WW 的功功率，以以便网络络设备能能在没有有 ACC 电源源线的情情况下工工作。IIEEEE 委员员会正在在定义一一个可提提供更高高功率的的类似标标准。目目前，8802.3aff 功率率是由供供电设备备(PSSE)提提供，PPSE 管理功功率分配配并区分分需要供供

2、电的用用电设备备(PDD)和不不需要供供电的纯纯数据设设备。由由于 PPSE 的检测测方法可可以实现现上述区区分，所所以用户户可以在在其现有有网络上上部署 PoEE，而不不会损坏坏纯数据据以太网网设备。 图1：图33 所示示 PDD 实例例的 II-V 曲线。阴影区域显示 IEEE 限定的检测、分级和接通范围以及作者推荐的范围。因PD 可可以放置置在没有有 ACC 电源源插座的的地方，并并从集中中放置的的不间断断供电电电源(UUPS)获得功功率，因因此给终终端用户户带来了了极大益益处。PPD 需需要遵循循 8002.33af 的以太太网供电电接口和和 DCC/DCC 转换换器。但但是，由由于集

3、成成电路不不能克服服 PooE 的的所有挑挑战：有有些问题题必须在在板级和和系统级级解决。此此外，一一个解决决方案不不能适用用于所有有情况，设设计师要要能够在在保持可可互操作作的同时时根据其其应用的的需求定定制解决决方案。为为了帮助助设计师师在满足足应用需需求的同同时遵循循 8002.33af 标准并并满足互互操作性性要求，本本文列出出了 PPD 设设计面临临的多种种难题，并并用电路路实例来来说明可可能的解解决方案案。 大多数针对对 PDD 的 IEEEE 8802.3aff 标准准都可以以用图 1 所所示的 PD I-VV 曲线线来描述述。该曲曲线分成成 3 个电压压范围：2.77V 至至

4、100.1VV 是检检测范围围；144.5VV 至 20.5V 是分级级范围；30VV 至 57VV 是供供电范围围。在这这些范围围里，PPD 的的行为是是受 IIEEEE 标准准控制的的，不过过这些范范围之间间的过渡渡区域对对互操作作性来说说也同样样重要。PPSE 在检测测范围进进行探查查以区分分具有 25kk? 电电阻的 PD 和具有有 1550? 共模终终端的非非受电设设备。在在分级范范围内，PPD 的的电流根根据它工工作所需需功率的的大小而而不同。当当输入或或端口电电压超过过 300V 时时，PDD 开始始从电缆缆获得功功率以使使其余电电路工作作。在大大多数 PD 中，来来自以太太网端

5、口口的 448V 输入被被转换成成适用于于 PDD 电路路的 33.3VV 或 2.55V。图图 2 和图 3 显显示的电电路实现现 PDD 的全全部 PPoE 接口，其其中包括括 DCC/DCC 转换换。这样样一来，PPoE 接口就就成了一一个自含含式电源源，从而而容许 PD 设计师师把精力力集中于于使其 PD 与众不不同的电电路和软软件上。 与电缆链接接 图2：从以以太网电电缆获得得PoEE功率和和10/1000数据的的以太网网磁铁实实例。连连线CTT1-CCT4连连接到图图3的输输入端。PD 的 PoEE 接口口和以太太网 PPHY 都必须须连接到到 RJJ-455 插座座上(参参见图2

6、2)。775? 共模终终端电阻阻是 AAC 耦耦合的，因因此它们们不干扰扰 PooE。该该终端连连接到电电缆的共共模扼流流圈端，这这样扼流流圈的电电感和高高 ACC 阻抗抗不会影影响该终终端的阻阻抗。这这些通路路上的配配线和电电路板走走线需要要特别注注意，它它们需要要保持低低电阻。电电路板采采用宽走走线并紧紧密放置置元器件件，以缩缩短走线线长度。在在磁铁(T1-T6)中，就就确保 DC 电流不不使 TT5 或或 T66 饱和和以及不不堵塞数数据传输输而言，控控制线电电阻尤其其重要。自自耦变压压器 TT1 和和 T22 必须须一起缠缠绕，以以便中央央抽头与与该线对对两条线线之间的的电阻相相同。即

7、即使 TT1 和和 T22 的缠缠绕十分分完美，电电缆电阻阻仍然可可以引起起一些 DC 差分电电压。通通过让 T1 或 TT2 的的电阻低低于扼流流圈 TT3 和和 T44 以及及数据变变压器 T5 和 TT6 的的电阻，磁磁铁能吸吸引所产产生的 DC 电流流流经 TT1 或或 T22。图22 说明明了这一一点，图图中较宽宽的线代代表低电电阻连线线。把 PD 连接到到备用线线对非常常简单，因因为这些些连线不不传输数数据，如如图 22 所示示，无需需磁铁。(就把数数据放在在备用线线对上的的千兆以以太网而而言，把把 PDD 连接接到图 2 中中作为数数据线对对的那个个相同磁磁铁上。) 一旦磁铁从从

8、电缆获获取功率率和数据据，那么么无论是是从备用用线对还还是从数数据线对对上看，PPD 都都是一样样的。实实际上，就就两种电电压极性性和两个个线对而而言，我我们对 PD I-VV 曲线线的要求求也是相相同的。图图 3 中 DD1-DD8 组组成的一一对二极极管电桥桥把来自自两个线线对的信信号组成成一个单单极性输输出，容容许一个个遵循 8022.3aaf 标标准的 PD 接口(由图 3 中中的 LLTC442677 控制制-LLTC442677 PooE 为为一受电电设备控控制器)为两个个输入线线对和两两种极性性提供服服务。 除了二极管管电桥，图图 2 还有一一个保护护 PDD 输入入的瞬态态电压

9、抑抑制器(TVSS)，因因为振铃铃、过冲冲瞬态和和静态电电流以及及地电位位差等可可能给电电缆加上上数百或或数千伏伏的电压压。由于于电缆具具有高达达 0.05F 的的电容和和低串联联电感及及电阻，所所以这些些电压所所代表的的能量可可能相当当大。瞬瞬态电压压抑制器器可以吸吸收大部部分能量量，但是是其余 PoEE 接口口必须设设计成在在 TVVS 限限制电压压之前，能能够抵挡挡住比工工作电压压范围高高出 220V 至 330V 的电压压。 图3：遵循循 8002.33af 的 PPoE 接口和和DC/DC转转换器实实例图。检测 在建立 PPoE 连接的的过程中中，检测测是第一一步也是是最重要要的一步

10、步。PDD 具有有 255k? 共模电电阻，而而非用电电设备具具有 1150? 电阻阻或开路路共模终终端。在在 2.7V 和 110.11V 之之间，PPD 必必须具有有 2551.25kk? 检检测特征征电阻。除除了图 3 中中与 LLTC442677 一起起画出的的电阻本本身，二二极管电电桥是 PD 25kk? 检检测特征征电阻的的最重要要部分。这这些二极极管的正正向电压压使特征征电阻上上的电压压产生了了偏移，IIEEEE 标准准要求这这个偏移移小于 1.99V(对对于在 -400oC 温度下下工作的的硅二极极管足够够了)。如如图 44 所示示，这些些二极管管的非线线性串联联电阻影影响特征

11、征电阻。反反向偏置置电桥二二极管会会有泄漏漏，两个个并联二二极管的的泄漏在在 100.1VV 反向向偏置时时必须低低于 IIEEEE 规定定的 110AA。如图图 4 所示，LLTC442677 通过过集成和和优化特特征电阻阻以补偿偿二极管管电桥和和它自己己的电源源电流，极极大地减减轻了这这些问题题，减轻轻了设计计师的负负担。 分级 表1：IEEEE 8022.3aaf PPD 级级别(注注意PDD的0级级和4级级没有列列出，也也不应该该采用。)成功检测之之后，大大多数 PSEE 会对对 PDD 分级级以确定定该用电电设备会会消耗多多少功率率。分级级提高了了 PSSE 的的功率管管理能力力，容

12、许许 PSSE 用用同样瓦瓦数的电电源为更更多 PPD 供供电。例例如，99 个消消耗功率率为 55W 被被定为 3 级级的 PPD 就就最大限限度地利利用了一一个 1150WW 电源源的功率率，因为为该 PPSE 必须向向每个 3 级级 PDD 分配配 155.4WW 功率率。如果果同样的的 PDD 定为为 2 级，那那么该 PSEE 会向向每个 PD 分配 7W 功率，其其 1550W 功率可可以给 21 个 PPD 供供电。用用表 11 可以以为 PPD 选选择合适适的级别别，选择择最大持持续功率率和峰值值电流低低于PDD 相应应参数的的最低级级数(11、2或或3)。 分级是由 PSEE

13、 完成成的，它它强迫端端口电压压进入分分级范围围，然后后测量 PD 电流。在在整个分分级区域域，PDD 的电电流必须须符合表表 1 所列的的 3 个范围围之一。尽尽管 8802.3aff 标准准规定在在检测和和分级之之间有超超过 55V 的的电压，但但是这 5V 电压的的大部分分都被二二极管正正向电压压(VFF)随温温度的变变化给消消耗掉。最最高温度度时，二二极管的的 VFF 大约约是 00.5VV，而最最低温度度时这个个电压大大约为 0.99V。注注意图 1 中中典型 I-VV 曲线线的斜坡坡。如果果检测与与分级之之间的过过渡处理理得不够够平滑，那那么可能能发生振振荡，因因为 PPD 的的分

14、级电电流可能能使端口口电压降降低到分分级范围围之外。即即使有来来自 PPSE 的稳定定电压，PPD 电电流的迅迅速变化化加上电电缆 1100mm 的电电感也可可能引起起振铃。电电压在 20.5V 以上时时断开分分级电流流所产生生的负电电阻可能能引起更更严重的的振荡和和互用性性问题。为为了最大大限度地地提高互互用性，PPD 应应该尽力力实现平平滑单调调的 II-V 曲线，如如图1所所示。 加电 进 PD 接通并并开始从从电缆获获得功率率，PDD 设计计就变得得更加复复杂了，因因为 PPoE 接口、DDC/DDC 转转换器和和其余的的 PDD 电路路要一起起配合工工作，并并保证遵遵循 8802.3

15、aff 标准准。LTTC42267就就有为实实现这种种合作所所需的两两个最重重要的部部分：PPoE 接口和和 DCC/DCC 转换换器。 图4：显示示二极管管电阻对对PD检检测特征征影响的的检测 I-VV 曲线线。LTC42267 一直等等到输入入达到 36VV 时才才开始获获得功率率，并把把浪涌电电流限制制到 1140mmA(参参见图 1)。通通过等待待输入达达到 336V，LLTC442677 在其其接通(36VV)和断断开(330V)电压之之间加上上了 66V 的的迟滞。如如果端口口电压由由于 LLTC442677 消耗耗电流的的提高而而降低，那那么这一一迟滞能能防止 LTCC42667

16、 的的断续振振荡。一一旦 PPD 加加电，LLTC442677 就切切换到 3755mA 的限流流值，从从而容许许 PDD 从电电缆获得得 122.955W 的的满功率率。具有有较高浪浪涌电流流限制的的 PDD 将需需要一个个更大的的迟滞(8022.3aaf 最最高容许许 122V)以以防止振振荡。 如果 PDD 能在在 PSSE 4400mmA 至至 4550mAA 的电电流限制制下于 50mms 内内加电，那那么就不不需要自自己限流流。不需需要自己己限流或或在 550mss 内加加电的 PD 将由其其它设备备来关断断自己的的电源。LLTC442677 这样样的 PPD 控控制器集集成电路路

17、采用电电流限制制和称为为“电源源良好”的的功能来来确保 PD 顺利加加电。这这种控制制器的电电源良好好输出在在 CIIN 充充电到端端口电压压之前，保保持其余余 PDD 电路路断开。如如图 33 所示示，在 VPOORTNN 和 POUUT 之之间的电电压低于于 1.5V 之前，LLTC442677 的PPWRGGD 引引脚阻止止其 DDC/DDC 转转换器工工作。采采用电源源良好信信号对 DC/DC 转换器器来说是是很重要要，因为为提供恒恒定输出出功率的的转换器器在其输输入电压压下降时时会消耗耗更大的的电流。如如果转换换器在低低电压时时断开，由由于它消消耗电流流较大，可可能降低低 CIIN

18、充充电速度度甚至阻阻止其充充电。因因此，电电源良好好功能或或其它一一些延迟迟 DCC/DCC 转换换器接通通的方法法对 PPD 成成功加电电至关重重要。 获得功率 50ms 启动时时间一到到，PDD 的 CINN 就应应该充电电到 VVPORRT(低低于二极极管电桥桥 VFF 的 2 倍倍)，而而且 PPD 的的功耗必必须低于于它所在在级别的的最高功功耗(参参见表 1)。PPD 还还必须用用保持功功率特征征(MPPS)信信号表明明其继续续存在。如如果没有有 MPPS 信信号，那那么 PPSE 会关断断电源，防防止带电电电缆插插入不接接受功率率的以太太网设备备。MPPS 具具体体现现为一个个 1

19、00mA 或更高高的 DDC 电电流和一一个低于于 266.355k? 、与超超过 00.055F 电容并并联的阻阻抗。极极少有 PD 需要特特殊电路路提供 MPSS。在大大多数情情况下，PPD 正正常工作作所用的的 CIIN、DDC/DDC 转转换器阻阻抗和电电流能满满足 8802.3aff MPPS 的的需求。遵遵循能源源之星规规定的 PD 以及其其它功率率很低的的 PDD(如恒恒温器等等功耗可可能在应应用中引引起问题题的 PPD)容容许给出出超过 10mmA 的的MPSS 电流流脉冲达达 755ms，而而脉冲间间隔可高高至 2250mms，这这样可把把功率降降低到大大约 1100mmW。

20、 与 MPSS 一样样，在大大多数情情况下，保保持在分分级限制制内是由由 PDD 的 DC/DC 转换器器和从该该转换器器获得功功率的电电路来处处理的。设设计师必必须确保保 PDD 电路路消耗的的功率永永远低于于表 11 中相相应级别别的功率率。负载载电路不不可能消消耗 112.995W，因因为 PPoE 接口(大多数数是在二二极管电电桥)和和 DCC/DCC 转换换器损耗耗了功率率。采用用低泄漏漏肖特基基二极管管可以降降低二极极管电桥桥的损耗耗。图 3 中中，LTTC42267 的PooE 接接口消耗耗的功率率低于 1800mW，VVPORRTN 和 PPOUTT 之间间的 11.6? RO

21、ON MMOSFFET 损耗 2000mW 功率，剩剩下 112.007W=12.95WW-0.50WW-0.18WW-0.20WW。这 12WW 中有有多少提提供给 PD 电路还还要取决决于 DDC/DDC 转转换器的的效率。 隔离 图3 中在在 DCC/DCC 转换换器有关关的最重重要方面面是输入入与输出出之间的的隔离。大大多数 PD 需要隔隔离的 DC/DC 转换器器，因为为 8002.33af 标准要要求以太太网插座座引脚与与 PDD 之外外的其它它任何导导电部分分隔离。隔隔离的 DC/DC 转换器器满足这这一隔离离要求，其其余 PPD 电电路可以以设计成成没有附附加隔离离措施。 绸缪

22、未来 几乎是 8802.3aff 以太太网供电电标准刚刚一发布布，用户户就开始始要求更更高功率率了。113 瓦瓦对于基基本 IIP 电电话来说说足够了了，但是是就机动动化相机机、多重重无线接接入点和和具有大大型彩色色显示屏屏的产品品而言，113 瓦瓦功率让让它们受受到了严严重限制制。为此此，IEEEE 已经新新成立了了一个名名为 PPoE+ 的研研究小组组，该小小组将制制订新标标准，容容许更高高功率的的设备与与今天提提供的 8022.3aaf 设设备共存存。 尽管普通 CATT 5 电缆包包括 44 个双双绞线对对，但是是8022.3aaf 标标准在任任何时候候都只允允许两个个线对携携带电流流

23、。一个个可选方方案是允允许额外外电流流流过第三三和第四四线对，从从而使可可用功率率翻倍。第第二个可可选方案案是提高高电流限限度，容容许在两两个线对对上传送送更高的的功率。现现在这两两种方法法每种都都在专用用 PooE 系系统中出出现了。但但是，每每种方法法都有自自己的缺缺点，因因此难于于在它们们之间做做出选择择。 利用所有 4 个个线对有有可能给给受电设设备(PPD)提提供最高高功率，因因为这种种方法利利用了电电缆中的的所有传传导能力力，最大大限度地地降低了了端到端端电阻和和电阻带带来的功功率损耗耗。但是是，给所所有 44 个线线对供电电差不多多使端口口控制器器电路的的成本翻翻了一番番，因为为 4