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高效的以太网供电解决方案降低了总体成本

Alison Steer

产品市场经理

Heath Stewart

高级设计工程师

 

IEEE 802.3at 规范定义的以太网供电 (PoE) 是通过一条 CAT-5 以太网电缆安全地传输应用数据和电源的方法。由于它支持灵活地在任何地方安装设备,没有在附近提供交流电源的限制,也不需要电工进行安装,因此,它得到了广泛应用。最初的 IEEE 802.3af PoE 规范限制了供电至受电设备 (PD) 的功率只有 13W,这也就限制了设备的应用范围,例如 IP 电话和基本安防摄像机等。在 2009 年,IEEE 802.3at 规范将支持的功率增大到 25.5W。但是,这还是无法满足功率要求越来越高的 PoE 应用需求,例如,微微蜂窝基站、无线接入点、LED 标牌和加热云台变焦 (PTZ) 室外摄像机等。在 2011 年,凌力尔特公司发布了新的专有标准 LTPoE++™,将 PoE 和 PoE+ 规范扩展到 90W 供电,同时还维持与 IEEE PoE 标准 100% 的兼容。它支持四种不同的功率等级 (38.7W、52.7W、70W、90W),可以根据应用要求来调整电源供电。

 

LTPoE++ 供电设备 (PSE) 采用了更智能的PSE隔离体系结构,以减少元器件数量,尽量少使用昂贵的外部元器件。全面的电缆放电保护和 80V 绝对最大值的引脚保证了现场工作的高可靠性。采用外部 FET 使散热性能可满足应用需求,提高了系统效率,增强了长期可靠性。LTPoE++ 体系结构只需要一个 PSE 和 PD 控制器,就能够通过 4 对 100m CAT-5e 电缆提供 90W 的功率。

 

系统隔离要求

 

要实现以太网供电,需要仔细的选择体系结构和元器件,以降低系统成本,同时提高性能和可靠性。一个成功的设计必须满足IEEE隔离要求,在短路和过流事件时保护 Hot Swap™ FET,或者符合 IEEE 规范。PoE 规范清楚地阐述了隔离要求,在 PD 应用电路中,确保断开接地环路,维持以太网数据完整性并降低噪声。

 

传统的 PSE 隔离体系结构在主机至 PSE 控制器接口处隔离数字接口和电源。光耦合器等数字隔离单元本质上非常昂贵而且不可靠。能够实现隔离功能的IC成本非常高,不支持 I2C 高速传送。而且,对 PSE 逻辑供电的隔离 DC/DC 转换器增大了电路板面积和系统成本。

 

轻松实现隔离

 

凌力尔特公司的 12 端口 (LTC4270 / LTC4271) 和 8 端口 PSE (LTC4290 / LTC4271) 芯片组采用了不同的 PSE 隔离方法,将所有的数字功能迁移到隔离边界的主机侧 (图1)。这极大的降低了所需元器件的成本和复杂性。不再需要单独的隔离 DC/DC 电源;LTC4271数字控制器可以使用主机的逻辑电源。LTC4271 使用变压器隔离通信方法控制 LTC4290 或 LTC4270。低成本和广泛应用的以太网变压器对可替代 6 个光耦合器。在协议中编程实现含有端口管理、复位和快速端口关断功能的I2C通信机制,从而降低了辐射能量,提供 1500V 的隔离。

 

图1: LTC4290 / LTC4271芯片组实现了隔离功能,不需要任何光隔离器以及专用隔离DC/DC 转换器

 

可靠的电缆放电保护功能

 

考虑 PoE 设计的可靠性非常重要,特别是处理大量的电缆、高电压、大电流或者高温的情况。凌力尔特公司在这方面经验丰富,设计了低成本、大吞吐量的电路保护方案,能够灵活的调整满足 IEC61000电缆放电电压要求。只需要一个 TVS 来保护高电压模拟电源,而在每一个输出端口上采用一对低成本箝位二极管 (图 2)。端口上的二极管引导有害的浪涌进入电源轨中,它们被浪涌抑制器以及VEE旁路电容吸收掉。浪涌抑制器还有保护 PSE 控制器不受 VEE 供电瞬变影响的优点。凌力尔特的 PSE 控制器在所有模拟引脚上还有 80V 绝对最大额定限制,实现了对瞬变的保护。 

 

 

图 2: 可靠的电缆放电保护

降低功耗

 

凌力尔特的第四代 PSE 和 PD 控制器与 IEEE 802.3at 规范完全兼容,而且 LTPoE++ 功率达到了 90W,同时通过使用低 RDS(ON) 外部 MOSFET 和 0.25Ω 检测电阻减小了热耗散。这对于大功率系统非常重要,在这些系统中散热设计和功率损耗的成本非常高,对于功率受限的应用也非常重要,这些应用要求在功率预算内尽可能提高工作功率。集成了 MOSFET 的 PSE 和 PD 控制器具有较高的 RDS(ON) 参数,由于在器件内部散热,因此,很难进行散热设计。对一个端口的损害会导致整个芯片受损。

 

LT4275 (图 3) 是市场上唯一能够控制外部 MOSFET 的 PD 控制器,极大的降低了 PD 总热耗,提高了功效,这对于较大功率应用非常重要。这一创新的方法支持用户调整 MOSFET 以满足应用的散热和效率要求,支持使用 30mΩ 量级的低 RDS(ON) MOSFET。LT4275 能够支持高达 90W 的功率。

 

一个 TVS 和 100V 绝对最大端口引脚足以保护电缆放电事件。LT4275 工作在较宽的 -40°C 至 125°C 温度范围,具有过温保护功能,在瞬时过载时保护器件。采用这一更强大的保护功能,很容易就可体验可靠的应用。

 

 

图 3: LTPoE++ PD 控制器使用外部 MOSFET 以提高了功效

 

LTPoE++ 是怎样工作的

 

LTPoE++ 使用了 3 事件分级机制,在 PSE 和 PD 之间提供互识别信号,同时维持了与 IEEE 802.3at 标准的后向兼容。通过 PD 对 3 事件分级机制的响应,LTPoE++ PSE 确定 PD 是 1 类 (PoE)、2 类 (PoE+),还是 LTPoE++ 器件。LTPoE++ PSE 使用 3 事件分级机制导致 ICUT  和 ILIM 门限更新。PSE 使用 ICUT 门限监控 PD 电流消耗。在严重的电流故障时,ILIM 用作硬电流限制,以保护 PSE 电源供电。

 

在另一端,LTPoE++ PD 使用它收到的分级事件号,确定连接 1 类、2 类,还是 LTPoE++ PSE。如果 LTPoE++ PSE 测量到 PD 的第一个分级事件电流是 0 级、1 级、2 级,或者3 级,LTPoE++ PSE 把端口作为 1 类器件进行供电。否则,如果在第一个分级事件中,识别到 4 级,LTPoE++ PSE 会继续 PoE+ 规范定义的第二个分级事件。这告诉 PD,它连接至 2 类或LTPoE++ PSE。没有第二个分级事件表明了 PD 连接至 1 类 PSE,这限制为 1 类供电。

 

2 类 PD 物理层分级由 IEEE 定义为两个连续 4 级结果。一个LTPoE++ PD 必须在第一和第二个分级事件中显示两个连续 4 级结果,使得 LTPoE++ PD 呈现为 2 类 PD 至 2 类 PSE。

 

在第一和第二个分级事件中,在有效的 4 级测量后,LTPoE++ PSE 会迁移到第三个分级事件上。两次成功的 4 级测量后,进行第三次分级事件。第三次分级事件必须转换到不同于 4 级的其他级别,把 PD 识别为支持 LTPoE++。在第三个分级事件过程中,LTPoE++ PSE 认为维持 4 级的 PD 是 2 类 PD。对于所有分级事件,IEEE 802.3at 标准要求兼容 2 类 PD 重复 4 级响应。第三个分级事件告诉 LTPoE++ PD,它连接至 LTPoE++ PSE。表 1 显示了各种 PD 功率的分级事件组合。

 

 

 

LTPoE++ 即插即用解决方案

 

LTPoE++ 提供安全和可靠的即插即用解决方案,极大的降低了 PSE 和 PD 的工程复杂性。LTPoE++ 相对于其他电源扩展拓扑的优点在于只需要一个 PSE 和 PD 便能够在一条 CAT-5e 电缆上提供 90W 功率,大幅度节省了空间,降低了成本,缩短了开发时间。LTPoE++ 解决方案减少了材料和相关的元器件成本,还提供目前功效最高的端到端解决方案,显著降低了总体拥有成本,增大了对实际应用的供电,同时降低了热耗,不需要高成本的散热器设计。

 

LTPoE++ 最突出的一点是,对于软件级功率协商,它不需要使用 IEEE PoE+ 规范制定的链路层发现协议 (LLDP)。LLDP 要求扩展标准以太网堆栈,需要很大的软件开发投入。LTPoE++ PSE 和 PD 自主地协商功率要求以及硬件级能力,同时保持了与基于 LLDP 解决方案的完全兼容。这样,LTPoE++ 系统设计人员能够选择是否实现 LLDP。专用端到端系统可能会选择放弃 LLDP 支持。这带来了产品及时面市优势,而且还降低了 BOM 成本,减小了电路板面积和复杂性。

 

第四代的高级特性

 

凌力尔特的以太网供电 PSE 控制器系列在 PoE 经验上非常成熟和专业,已受供货的 2 亿多端口支持。新的第四代特性包括支持设计未来不会过时的现场更新固件。可选 1 秒电流平均是另一新特性,简化了主机电源管理功能。高级电源管理特性包括优先级快速关断、12 位每端口电压和电流回读、8 位可设置电流限制、以及 7 位可设置过载电流门限等。一个 1MHz I2C 接口支持主机控制器对 IC 进行数字配置,或者进行队列端口读取操作。提供 “C” 库,以降低工程成本,使产品尽快上市。

 

结论

 

凌力尔特提供业界功耗最低的单端口、4 端口、8 端口和 12 端口 PSE 控制器,还提供坚固的 ESD 和电缆放电保护功能,减少了元器件数量,实现了高性价比设计。与LT4275 PD 控制器相结合,一个完整的即插即用 LTPoE++ 系统能够提供 90W 功率,同时保持了与 PoE+ 和 PoE 标准的完全兼容。整个解决方案使用了外部低 RDS(ON) MOSFET,以极大地降低 PD 总热耗散,提高了功效,这对于所有功率级都非常关键。所有模拟引脚的高值绝对最大额定电压和高性价比电缆放电保护功能确保了器件受到很好的保护,不受最常见以太网电压浪涌的损害。LTPoE++ 系统简化了功率输送,帮助系统设计人员将设计精力集中在高价值应用中。

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