原创 兼容IEEE802.3af的高功率以太网供电PD端设计

1 引 言

以太网供电(Power over Ethernet，PoE)技术是一种将电源与以太网数据同时在一条电缆中传输的技术。从2003年802.3af协议被批准以来，以太网供电(PoE)技术得到了越来越广泛的应用，随之而来的也有一些新的问题。由于802.3af协议中对于传输功率12.9 W的限制很难满足一些新应用的要求。

1.1 802.3af协议介绍

作为PoE技术的标准，802.3af将电源远供系统分成了供电设备(Power-Sourcing Equipment，PSE)和受电设备(Powered Device，PD)，并且详细定义了PSE与PD设备之间的操作过程。PD设备必须有一个25 kΩ的特征电阻，以区别于一般的网络设备。在PSE和PD设备建立连接以后，PSE设备需要完成：检测、分级和供电三个过程。

检测 PSE需要检测对端的设备是否是PD设备。通过向端口提供一个小电压，然后根据检测到的电流来判断对端是否有25 kΩ的特征电阻，从而判断其是否是PD设备；协议规定检测必须在500 ms内完成，以免损坏非PD设备。

分级 在PSE设备检测到PD设备的之后，就要根据分级信号对该用电设备进行电能分级。在802.3af中定义了五种等级，如图1所示。

供电 完成了分级之后，PSE就要向PD设备提供其所需要的功率了，规定电压在44～57 V之间，电流限制在350 mA以下。如果出现了过压或者过流的情况，需要有相应的手段进行关断以保护设备。

1.2 高功率以太网供电的需求

PoE技术的创新性给低功率以太网设备供电方式带来了革命性的改变。根据来自调查机构Information Resources Inc的分析师Marianne DAquila的报告数据，PSE设备端口的安装数从2004年的2 000万口(Port)增长到4 700万口(Port)，并且预计在2007年底达到9 200万口(Port)。

随着PoE技术的发展，越来越多的应用需要采用这样的供电方式以简化布线、节约成本。但是802.3af协议中对于PD设备只能提供12.95 W功率的上限要求，极大地限制了PoE技术在新应用上的发展。

从表1可以看出，不管是传统应用的升级还是新兴市场扩展，都对功率提出了很高的要求，现有的802.3af协议已经远远不能满足对于高功率的需求。正基于这样的原因IEEE在2005年9月成立了802.3at工作组，来制定传输功率大于12.95 W的以太网供电协议，被称为PoE+。802.3at计划能够传输29.5 W甚至是59 W的功率，这必将大大扩展以太网供电技术的应用范围。但是乐观的估计，802.3at协议获得批准，最早需要到2008年。

分析师Marianne DAquila同时表示当802.3at高功率以太网供电协议在2008年被IEEE批准以后，人们能够看到类似早期802.3af协议时的情况。新安装的高功率PoE端口(Port)数将从不到100万口迅速增加，在2009年预计达到500万到1 000万口的水平。

2高功率以太网供电方案

对于高功率的需求刺激了PoE技术的改进，人们进行了各种各样的尝试以提高以太网供电所能够传输的功率。根据采用的方式的不同，将他们分为传统方式和新兴方式。

2.1传统方式下高功率以太网供电方案

这里的传统指的是基于符合标准802.3af的PoE器件完成的供电方案。主要有3种不同的情况：

采用提高电压的方式 根据802.3af协议的规定，最高可允许57v的直流电压传输。很显然，这种方式对于功率的提高十分有限，并且因为没有采用惯用的48 V电压而影响系统的开放性。

采用提高电流的方式 802.3af协议规定了350 mA的电流上限，并且在过流后会有相应的关断保护机制。所以提高供电电流的方式是在PSE端，以及PD端通过相应的外部旁路电路，使超过额定值的电流能够从旁路流过。

图2是增加了旁路电流功能的PSE设计以及PD设计，通过合适外围器件的选择能够在PD端得到30 W左右的功率。显而易见这样的方案增加了系统设计的复杂性，同时也只能在专用系统中采用。

采用Cat5双绞线全部的四对线对一起来传输功率802.3af通常只会用到双绞线四对线对的其中两对。在10／100 M以太网中根据采用线对的不同，分为采用数据线对传输功率和采用空闲线对传输功率两种情况。

可以看出，采用四线对传输功率的方式相当于将两个独立的符合标准802.3af协议供电电路在PD端叠加，以提供大约25 W的高功率。但是这样不但增加了系统成本，而且同样只能在专用系统中采用，不具备开放性。

2.2新兴方式下高功率以太网供电方案

在标准802.3af下的高功率应用，因为其不开放性和复杂性使人们需要找到更好的解决方案。正是在这样的情况下，人们开始越来越关注802.3at(PoE+)协议。尽管正式的协议需要等到2008年或者更晚才可能得到批准，但是因为他与802.3af协议之间的密切关系，还是引起了人们极大的兴趣。802.3at是在802.3af的基础上提出的，所以必须考虑到向前兼容802.3af的器件。尽管802.3at标准还在制订与修改中，很多芯片厂商还是推出了各自的高功率以太网供电的PSE，PD芯片。一方面能够在标准确立之前占领相应的市场份额；另一方面通过更多的应用能够为正在制订的802.3at协议提供修改的建议。

下面介绍到的具体方案采用的是来自TI的高功率PD芯片TPS2376-H，手册标称能够提供26 W的功率。

2.3本文采用的方案

TPS2376-H是TI新推出的高功率以太网供电PD端芯片，完全兼容标准802.3af，并能够保证26 W的功率传输。芯片通过提高线路传输电流来增大传输功率，相比较802.3af协议的350 mA的上限电流值，TPS2376-H推荐最大传输600 mA的大电流。并且提供可调整的开启门限，过压过流保护，还提高了内部开关MOS管的耐压值。

图4为高功率PoE方案的PD端主要电路，为了突出重点这里没有给出所有的后端电路。

为了完成高功率PoE供电的系统，还需要有PSE端电路的支持。由于能够支持600 mA电流输出的PSE器件还很少，所以在系统中采用了Maxim的MAX5945来完成。MAX5945是一款支持标准802.3af协议的PSE芯片，能够提供四口供电以及相应的电源管理功能，输出电流推荐值为符合标准的350 mA。因为芯片通过控制外部的MOS开关来完成电源的输出，并且通过检测外部电阻的方式来判断电流大小。这样我们选用了允许通过大电流的外部MOS管，并且将原来0.5 Ω的检测电阻换成0.25 Ω的电阻来增大允许通过的电流。通过修改理论上PSE端电路能够提供比原来多一倍的电流，即700 mA的电流，来满足高功率PD端电路的需求。

需要特别注意的是，因为线路上传输以太网数据的同时还要传输电流，这样普通的以太网变压器会因为过大的电流而发生磁饱和现象，造成数据错误。所以在高功率PoE方案中采用了特制的高功率PoE变压器，来避免这样的情况。

3方案测试与分析

为了验证高功率PoE系统的性能，特别是在最差情况下的工作状况，我们需要进行最差情况下的性能测试。

因为PD端电路的静态工作功率是固定的，为了很好地完成测试，我们断开了DC／DC后端电路，换成了可变的电子负载，这样就可以模拟在任何负载情况下的状况了。

主要测试仪器为：PRODIGIT3311电子负载、电流表，万用表、100 m Cat5e网线等。

PD端测试框图如图5所示。

我们主要关心在PD端能否得到所需的高功率，所以主要的测试在PD端完成。如图5所示，通过DC／DC后串接可调电子负载来调整整个PD端单板所需要的电流，同时测试进板电压、进板电流来完成测试。

PSE端采用输出48 V电压，通过100 mCat5e双绞线同PD端相连。主要测试数据见表2。

表2的测试数据是在室温条件下测试得到，并且测试电流忽略前端电桥的电流损耗。从表中可以看到，由于PD端的负载效应致使PSE端的输出电压小于标准的48 V，通过调节电子负载模拟PD端在不同负载情况下的表现，同时测试相应的电压、电流值。

从测试到的数据可以看出，在PD端通过600 mA电流的情况下，系统能够在PD端得到24 W左右的功率；在700 mA的情况下，系统能够在PD端得到27 W左右的功率；当继续减小PD端负载大小，电流超过750 mA的情况下，PD端控制芯片TPS2376-H进入过流保护，自动关断。

对PD端在不同负载情况下的电压一电流建立曲线关系如图6所示，功率的增长呈线形关系，也从侧面证明了测试数据的可信性。另外通过PSE端以及PD端电压与电流的关系，可以计算出100 m之间CatSe双绞线所表现出的电阻在10 Ω左右，考虑到每一路实际是一个线对并联传输，所以100 m Cat5e双绞线的电阻约为20 Ω，与实际万用表测试值相吻合。

尽管系统能够稳定工作在700 mA甚至750 mA电流的情况下，但是考虑到裕量和系统稳定性，建议采用芯片推荐的600 mA的电流，可以通过适当提高供电电压来提高传输功率。

4 结语

以太网供电技术作为一种创新性的供电方式，已经大大地改变了以太网设备的供电方式。面对以太网设备越来越大的功率需求，标准的802.3af协议已经不能满足人们的需求了。尽管号称支持30 W功率传输甚至60 W功率传输的802.3at协议(PoE+)已经在制定过程中，但短时间还得不到批准。

本文介绍并比较了目前存在的各种大功率以太网供电的主要技术特征，并且在TI公司提供PD端控制芯片TPS2376-H的基础上设计完成了大功率以太网供电系统。通过实际测试数据证明该方案的可行性，能够为众多系统厂商提供过渡阶段很好的大功率以太网供电方案。