Alison Steer

產(chǎn)品市場經(jīng)理

Heath Stewart

高級設(shè)計(jì)工程師

 

IEEE 802.3at 規(guī)范定義的以太網(wǎng)供電 (PoE) 是通過一條 CAT-5 以太網(wǎng)電纜安全地傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)和電源的方法。由于它支持靈活地在任何地方安裝設(shè)備，沒有在附近提供交流電源的限制，也不需要電工進(jìn)行安裝，因此，它得到了廣泛應(yīng)用。較初的 IEEE 802.3af PoE 規(guī)范限制了供電至受電設(shè)備 (PD) 的功率只有 13W，這也就限制了設(shè)備的應(yīng)用范圍，例如 IP 電話和基本安防攝像機(jī)等。在 2009 年，IEEE 802.3at 規(guī)范將支持的功率增大到 25.5W。但是，這還是無法滿足功率要求越來越高的 PoE 應(yīng)用需求，例如，微微蜂窩基站、無線接入點(diǎn)、LED 標(biāo)牌和加熱云臺(tái)變焦 (PTZ) 室外攝像機(jī)等。在 2011 年，凌力爾特公司發(fā)布了新的專有標(biāo)準(zhǔn) LTPoE++™，將 PoE 和 PoE+ 規(guī)范擴(kuò)展到 90W 供電，同時(shí)還維持與 IEEE PoE 標(biāo)準(zhǔn) 100% 的兼容。它支持四種不同的功率等級 (38.7W、52.7W、70W、90W)，可以根據(jù)應(yīng)用要求來調(diào)整電源供電。

 

LTPoE++ 供電設(shè)備 (PSE) 采用了更智能的PSE隔離體系結(jié)構(gòu)，以減少元器件數(shù)量，盡量少使用昂貴的外部元器件。全面的電纜放電保護(hù)和 80V 絕對較大值的引腳保證了現(xiàn)場工作的高可靠性。采用外部 FET 使散熱性能可滿足應(yīng)用需求，提高了系統(tǒng)效率，增強(qiáng)了長期可靠性。LTPoE++ 體系結(jié)構(gòu)只需要一個(gè) PSE 和 PD 控制器，就能夠通過 4 對 100m CAT-5e 電纜提供 90W 的功率。

 

系統(tǒng)隔離要求

 

要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)供電，需要仔細(xì)的選擇體系結(jié)構(gòu)和元器件，以降低系統(tǒng)成本，同時(shí)提高性能和可靠性。一個(gè)成功的設(shè)計(jì)必須滿足IEEE隔離要求，在短路和過流事件時(shí)保護(hù) Hot Swap™ FET，或者符合 IEEE 規(guī)范。PoE 規(guī)范清楚地闡述了隔離要求，在 PD 應(yīng)用電路中，確保斷開接地環(huán)路，維持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)完整性并降低噪聲。

 

傳統(tǒng)的 PSE 隔離體系結(jié)構(gòu)在主機(jī)至 PSE 控制器接口處隔離數(shù)字接口和電源。光耦合器等數(shù)字隔離單元本質(zhì)上非常昂貴而且不可靠。能夠?qū)崿F(xiàn)隔離功能的IC成本非常高，不支持 I2C 高速傳送。而且，對 PSE 邏輯供電的隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器增大了電路板面積和系統(tǒng)成本。

 

輕松實(shí)現(xiàn)隔離

 

凌力爾特公司的 12 端口 (LTC4270 / LTC4271) 和 8 端口 PSE (LTC4290 / LTC4271) 芯片組采用了不同的 PSE 隔離方法，將所有的數(shù)字功能遷移到隔離邊界的主機(jī)側(cè) (圖1)。這極大的降低了所需元器件的成本和復(fù)雜性。不再需要單獨(dú)的隔離 DC/DC 電源；LTC4271數(shù)字控制器可以使用主機(jī)的邏輯電源。LTC4271 使用變壓器隔離通信方法控制 LTC4290 或 LTC4270。低成本和廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)變壓器對可替代 6 個(gè)光耦合器。在協(xié)議中編程實(shí)現(xiàn)含有端口管理、復(fù)位和快速端口關(guān)斷功能的I2C通信機(jī)制，從而降低了輻射能量，提供 1500V 的隔離。

 

圖1: LTC4290 / LTC4271芯片組實(shí)現(xiàn)了隔離功能，不需要任何光隔離器以及專用隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器

 

可靠的電纜放電保護(hù)功能

 

考慮 PoE 設(shè)計(jì)的可靠性非常重要，特別是處理大量的電纜、高電壓、大電流或者高溫的情況。凌力爾特公司在這方面經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)計(jì)了低成本、大吞吐量的電路保護(hù)方案，能夠靈活的調(diào)整滿足 IEC61000電纜放電電壓要求。只需要一個(gè) TVS 來保護(hù)高電壓模擬電源，而在每一個(gè)輸出端口上采用一對低成本箝位二極管 (圖 2)。端口上的二極管引導(dǎo)有害的浪涌進(jìn)入電源軌中，它們被浪涌抑制器以及VEE旁路電容吸收掉。浪涌抑制器還有保護(hù) PSE 控制器不受 VEE 供電瞬變影響的優(yōu)點(diǎn)。凌力爾特的 PSE 控制器在所有模擬引腳上還有 80V 絕對較大額定限制，實(shí)現(xiàn)了對瞬變的保護(hù)。 

 

 

圖 2: 可靠的電纜放電保護(hù)

降低功耗

 

凌力爾特的第四代 PSE 和 PD 控制器與 IEEE 802.3at 規(guī)范完全兼容，而且 LTPoE++ 功率達(dá)到了 90W，同時(shí)通過使用低 RDS(ON) 外部 MOSFET 和 0.25Ω 檢測電阻減小了熱耗散。這對于大功率系統(tǒng)非常重要，在這些系統(tǒng)中散熱設(shè)計(jì)和功率損耗的成本非常高，對于功率受限的應(yīng)用也非常重要，這些應(yīng)用要求在功率預(yù)算內(nèi)盡可能提高工作功率。集成了 MOSFET 的 PSE 和 PD 控制器具有較高的 RDS(ON) 參數(shù)，由于在器件內(nèi)部散熱，因此，很難進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。對一個(gè)端口的損害會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片受損。

 

LT4275 (圖 3) 是市場上唯一能夠控制外部 MOSFET 的 PD 控制器，極大的降低了 PD 總熱耗，提高了功效，這對于較大功率應(yīng)用非常重要。這一創(chuàng)新的方法支持用戶調(diào)整 MOSFET 以滿足應(yīng)用的散熱和效率要求，支持使用 30mΩ 量級的低 RDS(ON) MOSFET。LT4275 能夠支持高達(dá) 90W 的功率。

 

一個(gè) TVS 和 100V 絕對較大端口引腳足以保護(hù)電纜放電事件。LT4275 工作在較寬的 -40°C 至 125°C 溫度范圍，具有過溫保護(hù)功能，在瞬時(shí)過載時(shí)保護(hù)器件。采用這一更強(qiáng)大的保護(hù)功能，很容易就可體驗(yàn)可靠的應(yīng)用。

 

 

圖 3: LTPoE++ PD 控制器使用外部 MOSFET 以提高了功效

 

LTPoE++ 是怎樣工作的

 

LTPoE++ 使用了 3 事件分級機(jī)制，在 PSE 和 PD 之間提供互識(shí)別信號(hào)，同時(shí)維持了與 IEEE 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容。通過 PD 對 3 事件分級機(jī)制的響應(yīng)，LTPoE++ PSE 確定 PD 是 1 類 (PoE)、2 類 (PoE+)，還是 LTPoE++ 器件。LTPoE++ PSE 使用 3 事件分級機(jī)制導(dǎo)致 ICUT  和 ILIM 門限更新。PSE 使用 ICUT 門限監(jiān)控 PD 電流消耗。在嚴(yán)重的電流故障時(shí)，ILIM 用作硬電流限制，以保護(hù) PSE 電源供電。

 

在另一端，LTPoE++ PD 使用它收到的分級事件號(hào)，確定連接 1 類、2 類，還是 LTPoE++ PSE。如果 LTPoE++ PSE 測量到 PD 的第一個(gè)分級事件電流是 0 級、1 級、2 級，或者3 級，LTPoE++ PSE 把端口作為 1 類器件進(jìn)行供電。否則，如果在第一個(gè)分級事件中，識(shí)別到 4 級，LTPoE++ PSE 會(huì)繼續(xù) PoE+ 規(guī)范定義的第二個(gè)分級事件。這告訴 PD，它連接至 2 類或LTPoE++ PSE。沒有第二個(gè)分級事件表明了 PD 連接至 1 類 PSE，這限制為 1 類供電。

 

2 類 PD 物理層分級由 IEEE 定義為兩個(gè)連續(xù) 4 級結(jié)果。一個(gè)LTPoE++ PD 必須在第一和第二個(gè)分級事件中顯示兩個(gè)連續(xù) 4 級結(jié)果，使得 LTPoE++ PD 呈現(xiàn)為 2 類 PD 至 2 類 PSE。

 

在第一和第二個(gè)分級事件中，在有效的 4 級測量后，LTPoE++ PSE 會(huì)遷移到第三個(gè)分級事件上。兩次成功的 4 級測量后，進(jìn)行第三次分級事件。第三次分級事件必須轉(zhuǎn)換到不同于 4 級的其他級別，把 PD 識(shí)別為支持 LTPoE++。在第三個(gè)分級事件過程中，LTPoE++ PSE 認(rèn)為維持 4 級的 PD 是 2 類 PD。對于所有分級事件，IEEE 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)要求兼容 2 類 PD 重復(fù) 4 級響應(yīng)。第三個(gè)分級事件告訴 LTPoE++ PD，它連接至 LTPoE++ PSE。表 1 顯示了各種 PD 功率的分級事件組合。

 

 

 

LTPoE++ 即插即用解決方案

 

LTPoE++ 提供安全和可靠的即插即用解決方案，極大的降低了 PSE 和 PD 的工程復(fù)雜性。LTPoE++ 相對于其他電源擴(kuò)展拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)在于只需要一個(gè) PSE 和 PD 便能夠在一條 CAT-5e 電纜上提供 90W 功率，大幅度節(jié)省了空間，降低了成本，縮短了開發(fā)時(shí)間。LTPoE++ 解決方案減少了材料和相關(guān)的元器件成本，還提供目前功效較高的端到端解決方案，顯著降低了總體擁有成本，增大了對實(shí)際應(yīng)用的供電，同時(shí)降低了熱耗，不需要高成本的散熱器設(shè)計(jì)。

 

LTPoE++ 較突出的一點(diǎn)是，對于軟件級功率協(xié)商，它不需要使用 IEEE PoE+ 規(guī)范制定的鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議 (LLDP)。LLDP 要求擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)堆棧，需要很大的軟件開發(fā)投入。LTPoE++ PSE 和 PD 自主地協(xié)商功率要求以及硬件級能力，同時(shí)保持了與基于 LLDP 解決方案的完全兼容。這樣，LTPoE++ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠選擇是否實(shí)現(xiàn) LLDP。專用端到端系統(tǒng)可能會(huì)選擇放棄 LLDP 支持。這帶來了產(chǎn)品及時(shí)面市優(yōu)勢，而且還降低了 BOM 成本，減小了電路板面積和復(fù)雜性。

 

第四代的高級特性

 

凌力爾特的以太網(wǎng)供電 PSE 控制器系列在 PoE 經(jīng)驗(yàn)上非常成熟和專業(yè)，已受供貨的 2 億多端口支持。新的第四代特性包括支持設(shè)計(jì)未來不會(huì)過時(shí)的現(xiàn)場更新固件。可選 1 秒電流平均是另一新特性，簡化了主機(jī)電源管理功能。高級電源管理特性包括優(yōu)先級快速關(guān)斷、12 位每端口電壓和電流回讀、8 位可設(shè)置電流限制、以及 7 位可設(shè)置過載電流門限等。一個(gè) 1MHz I2C 接口支持主機(jī)控制器對 IC 進(jìn)行數(shù)字配置，或者進(jìn)行隊(duì)列端口讀取操作。提供 “C” 庫，以降低工程成本，使產(chǎn)品盡快上市。

 

結(jié)論

 

凌力爾特提供業(yè)界功耗較低的單端口、4 端口、8 端口和 12 端口 PSE 控制器，還提供堅(jiān)固的 ESD 和電纜放電保護(hù)功能，減少了元器件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比設(shè)計(jì)。與LT4275 PD 控制器相結(jié)合，一個(gè)完整的即插即用 LTPoE++ 系統(tǒng)能夠提供 90W 功率，同時(shí)保持了與 PoE+ 和 PoE 標(biāo)準(zhǔn)的完全兼容。整個(gè)解決方案使用了外部低 RDS(ON) MOSFET，以極大地降低 PD 總熱耗散，提高了功效，這對于所有功率級都非常關(guān)鍵。所有模擬引腳的高值絕對較大額定電壓和高性價(jià)比電纜放電保護(hù)功能確保了器件受到很好的保護(hù)，不受較常見以太網(wǎng)電壓浪涌的損害。LTPoE++ 系統(tǒng)簡化了功率輸送，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)精力集中在高價(jià)值應(yīng)用中。