原创 建置乙太网路供电的VoIP架构

透过乙太网路来供电（PoE）的建置，即使在电源短暂停止的片刻，IP电话还是必须提供服务。介入整个企业环境内安装VoIP电话的决定，是POTS无中断服务的特点，然而，IP电话的供电也带来了一些重要的挑战。针对乙太网路供电的 IEEE 802.3af 标准，开创乙太网路的新兴应用，即在保有10/100/1000Mbps 资料传输速率之下同时传递DC电源。PoE为自身带来了一些问题以及一些对于设计乙太网路设备有经验的工程师可能会感觉较不同的新思维。

PoE连结允许供电装置（PSE）提供高达12.95W之电力给受电装置（PD），例如一个VoIP电话。PoE连结或传输埠受控PSE，而PSE在供电与监视传输埠（ICUT, ILIM以及断开）之前，透过侦测与分级来辨识PD，PoE大部分的负担是在PSE上，它必须执行侦测与无失误断开连线，否则传统式装置将受到损伤。因为此两类型装置必须互相合作，PD与PSE设计者应该从这两个装置的观点，考量以下的议题。PD与PSE界面控制器IC并非都做成一样，即使如此最终晶片也不能处理基版与系统层级的问题。

侦测
侦测可避免传统设备受到PoE的48V输出而损坏，并且也是建立PoE连线的主要步骤，PSE控制器IC侦测电路不应该被误导入利用噪音、偏移、松接连线或复数阻抗来发现PD，容忍与排斥外来噪音是重要关键，因为25k?电阻是经由长达100m的电缆所测得，而没有一般对绞线所具有抵抗共模噪音的优点，当电感性耦合进入电缆时，将造成的噪音振幅逼近测量信号的位准。  分级与电源配置
在分级时，PSE必须维持一个介于15.5V到20.5V的输出，如此才可测量出PD的分级签署，而决定PD所需功率。一个不良的分级测量或一个错误的电源配置架构可导致PSE过载，进而使整个PoE网路停摆。

一些PSE控制器重新採用MOSFET，而MOSFET会在一个低压差（Low Drop Out，LDO）的组态下将电源切入连接埠，将PSE的48V供电稳定地调节成分级电压。分级是一个独特而巧妙的LDO电路，具稳压作用，因为乙太电缆会在LDO与负载间嵌入电感；此外，旁路电容必须小于0.52μF。当一个PSE控制器IC採用此方法，系统设计者必须非常小心地遵照IC供应商的建议，但如此仍不能确保稳定性。

802.3af标准要求PD在汲取电流时，只须满足5等级中的一种。PD也须汲取非常小的电流，直到连结埠电压达到14.5V至20.5V的分级范围内，当到达此点，PD可打开开关并随即将连接埠电流增加至高达44mA（class 4）。此负载增加过程可能造成埠电压过调而超出分级范围—甚至可达 48V—所以PD会关掉此时的电流直到PSE将输出拉回到可控制情况，之后再次开始循环进行。PD设计者在PD请求其分级电流时，应该限制电流增加率。具有如(图一)所示的I-V特徵之PD会有较温和的行为。IEEE标准将所有分级稳定性的责任全部託付给PSE，PSE设计者必须接受委託而且确保不论PD的行为为何，PSE皆能提供稳定输出。
　

(图一)　一个可兼容PD的I–V 曲线
＜阴影区域指示了IEEE所定义侦测、分级与启动之界线和作者所建议之限制。＞
　

除了迴转率或di/dt，当PD开启其分级电流，PD之I-V曲线上的大多数区域都是未规范的，就像那些显示于图一中所隐示的界限。标准并没有谈到介于侦测（10.1V）与分级（14.5V）之间、以及分级（20.5V）与启动（30V）之间的PD电流。一个技术上兼容的PD在这些范围下可不汲取任何电流，而有一些PD控制器IC在这些范围下则汲取非常少的电流，这会产生互操作性问题的风险。假设连接埠的电压接近48V，因为电源刚被关掉，而PSE又不需主动地为连接埠放电，则在高于30V的情况下，PD启动且其负载电路将快速地将连接埠放电至30V。达30V后，PD必须关闭。如果PD不须连续汲取一些电流，埠电压会维持在30V，可防止PD被反覆侦测。在这两种位定义的区间，建议PD应该约略保持在此类限制内。

分级是可选择的。在对PD供电之前，PSE不须针对其进行分级；且class 0允许PD不须参与分级。然而，客户将期望分级的存在，因未分级的装置将形成电力的浪费，进而浪费金钱。分级提供三个功率级距，在相对应级距内的PD必须保证不会越级。

虽然分级可让PSE之可用电力获得较好的利用，802.3af标准仍然重视可靠度超过效率。PSE不能使其自身过载，为达此目的，标准要求一个电源计算与保存架构，称为电源配置，其可当作预防过载的主要方法。当PSE供电到PD，不论PSE的其它埠上发生什么事，该电力皆可获得保障。对所有由PSE供电的PD，PSE保存分级适当的电力，并维持总保存电力在其电源供应的能力范围内，因此PSE总是有足够的电力以满足PD需求。

 供电
启动电源是PD设计的一个真实测试，因为PD必须防止埠电压产生震盪。当埠电压介于30V和40V之间时，PD必须启动，此即意谓将一个大型输入旁路电容接入埠中。大电容与PSE电流限制的结合，导致埠电压可降至低于30V，甚至可达0V，如果因为埠电压下降而导致PD关闭，PD将在开启与关闭间开始跳动。PD设计可藉由不对其电流设限使埠电压保持在供电范围，从而防护电动板效应发生，亦或PD可允许电压下降，但其启动状态必须被维持在一定时间内，不管埠电压情况为何。大多数市面上所见的PoE PD控制器，使用一种结合电流限制与分隔PD启动电压和其关闭电压的作法，例如，Linear Technology的LTC4257实现比PSE的400mA至450mA输出更低的350mA（典型值）电流限制，且在启动与关闭的转换间具有9V的迟滞。电流限制防止埠电压下降过大，而迟滞确保PD在遭受小幅压降时，可保持在启动状态。

对于PSE而言，供电到一个埠，测试其用于控制埠电流之MOSFET对于处理电源的能力。此MOSFET所花费较多的时间，若非在导通状态，就是在断开状态，且功率消耗极小，甚至是零，因此吸引着设计者选择较小元件。然而，就在MOSFET限制埠电流的50ms到75ms间，功率消耗可高达25.7W。有些PSE利用放置多颗MOSFET于相同封装则将此问题变的更为严重。以迴路失调方式解决此问题将导致在每一个埠启动间产生一分钟、或更久且恼人的冷却延迟，PSE可以使用返送迴路以减少MOSFET的发热情况，当埠电压低于30V时，802.3af标准允许埠电流限制可低至60mA，如(图二)所示。如此当连接埠于0V时，可削减MOSFET的功率至3.4W、或当连接埠于30V时达12.2W，所以PSE可使用小型，较便宜的MOSFET。
　

(图二)　PSE返送曲线的例子与802.3af 返送限制
　  断电
侦测PD的移除与关闭电源，在IEEE称为断线，此部分与决定要供电同等重要。不论哪一种情况，所造成的错误结果是一样的：亦即损坏设备。DC断线，其依赖测量埠电流以判断PD的持续存在。AC断线以低频AC测量埠阻抗以侦测PD的存在，AC断线必须侦测在乙太网路远端的PD阻抗，还需同时提供一个稳定输出电压以对PD供电。PSE设计者利用置入一个串联于PSE输出的二极体，来操纵这些互相矛盾的约束。如果AC断线电路没有适当地设计，μA位准的漏电流已足够启动此埠。

PD应该配备暂态抑制器，因为在启动与关闭时也会遭受高电压，即使已有保护，有些PD介面IC会因连续性地电缆插拔而受损。

 结论
无缝式企业VoIP服务伴随着乙太网路传输语音与资料以外的课题，侦测电话与PC之间的差异、配置电源与处理错误都是类比设计问题。兼容于IEEE 802.3af还不足以确保高可靠性，密切地注意主要问题，方能实现内建高度服务品质相依的网路。