摘 要：在以太網(wǎng)供電技術(shù)(PoE)協(xié)議IEEE802.3af中，最大傳輸功率12-95 W的上限大大限制了很多高功率場合的應(yīng)用。為了滿足越來越多高功率應(yīng)用的需求，在比較了幾種高功率PoE方案后，給出了兼容802.3af的高功率PD端詳細(xì)設(shè)計方案，并且進(jìn)行了實(shí)際測試，以驗證方案的可行性。

關(guān)鍵詞：高功率PoE;802.3af;802.3at;以太網(wǎng)供電

中圖分類號：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0516003

IEEE 802.3af-compatibility PD Design for High Power PoE

LIU Jia，HUANG Hua

(School of Electric Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu，610064，China)

Abstract：The Power over Ethernet(PoE) standard，IEEE 803.3af，specified a supply of 12.95 watts which limits its widespread deployment.In order to meet the requirements of high power PoE applications，we discuss several high power solutions，and give a detail design of high power PD part which is compatibility with IEEE802.3af.Simultaneity there is a practical test to validate its feasibility.

Keywords：high power PoE;802.3af;802.3at;power over ethernet

1 引 言

以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet，PoE）技術(shù)是一種將電源與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)同時在一條電纜中傳輸?shù)募夹g(shù)。從2003年802.3af協(xié)議被批準(zhǔn)以來，以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，隨之而來的也有一些新的問題。由于802.3af協(xié)議中對于傳輸功率12-9 W的限制很難滿足一些新應(yīng)用的要求^[1]。

1.1 802.3af協(xié)議介紹

作為PoE技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，802.3af將電源遠(yuǎn)供系統(tǒng)分成了供電設(shè)備（Power-Sourcing Equipment，PSE）和受電設(shè)備（Powered Device，PD），并且詳細(xì)定義了PSE與PD設(shè)備之間的操作過程。PD設(shè)備必須有一個25 kΩ的特征電阻，以區(qū)別于一般的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在PSE和PD設(shè)備建立連接以后，PSE設(shè)備需要完成：檢測、分級和供電三個過程^[2]。

檢測 PSE需要檢測對端的設(shè)備是否是PD設(shè)備。通過向端口提供一個小電壓，然后根據(jù)檢測到的電流來判斷對端是否有25 kΩ的特征電阻，從而判斷其是否是PD設(shè)備；協(xié)議規(guī)定檢測必須在500 ms內(nèi)完成，以免損壞非PD設(shè)備。

分級 在PSE設(shè)備檢測到PD設(shè)備的之后，就要根據(jù)分級信號對該用電設(shè)備進(jìn)行電能分級。在802.3af中定義了五種等級，如圖1所示。

供電 完成了分級之后，PSE就要向PD設(shè)備提供其所需要的功率了，規(guī)定電壓在44~57 V之間，電流限制在350 mA以下。如果出現(xiàn)了過壓或者過流的情況，需要有相應(yīng)的手段進(jìn)行關(guān)斷以保護(hù)設(shè)備。

1.2 高功率以太網(wǎng)供電的需求

PoE技術(shù)的創(chuàng)新性給低功率以太網(wǎng)設(shè)備供電方式帶來了革命性的改變。根據(jù)來自調(diào)查機(jī)構(gòu)Information Resources Inc的分析師Marianne D'Aquila的報告數(shù)據(jù)，PSE設(shè)備端口的安裝數(shù)從2004年的2 000萬口（Port）增長到4 700萬口（Port），并且預(yù)計在2007年底達(dá)到9 200萬口（Port）^[3]。

隨著PoE技術(shù)的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用需要采用這樣的供電方式以簡化布線、節(jié)約成本。但是802.3af協(xié)議中對于PD設(shè)備只能提供12-95 W功率的上限要求，極大地限制了PoE技術(shù)在新應(yīng)用上的發(fā)展。

從表1可以看出，不管是傳統(tǒng)應(yīng)用的升級還是新興市場擴(kuò)展，都對功率提出了很高的要求，現(xiàn)有的802.3af協(xié)議已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對于高功率的需求。正基于這樣的原因IEEE在2005年9月成立了802.3at工作組，來制定傳輸功率大于12-95 W的以太網(wǎng)供電協(xié)議，被稱為PoE+。802.3at計劃能夠傳輸29-5 W甚至是59 W的功率，這必將大大擴(kuò)展以太網(wǎng)供電技術(shù)的應(yīng)用范圍。但是樂觀的估計，802.3at協(xié)議獲得批準(zhǔn)，最早需要到2008年^[4]。

分析師Marianne D'Aquila同時表示當(dāng)802.3at高功率以太網(wǎng)供電協(xié)議在2008年被IEEE批準(zhǔn)以后，人們能夠看到類似早期802.3af協(xié)議時的情況。新安裝的高功率PoE端口（Port）數(shù)將從不到100萬口迅速增加，在2009年預(yù)計達(dá)到500萬到1 000萬口的水平^[3]。

2 高功率以太網(wǎng)供電方案

對于高功率的需求刺激了PoE技術(shù)的改進(jìn)，人們進(jìn)行了各種各樣的嘗試以提高以太網(wǎng)供電所能夠傳輸?shù)墓β?。根?jù)采用的方式的不同，將他們分為傳統(tǒng)方式和新興方式。

2.1 傳統(tǒng)方式下高功率以太網(wǎng)供電方案

這里的傳統(tǒng)指的是基于符合標(biāo)準(zhǔn)802.3af的PoE器件完成的供電方案。主要有3種不同的情況:

采用提高電壓的方式 根據(jù)802.3af協(xié)議的規(guī)定，最高可允許57v的直流電壓傳輸。很顯然，這種方式對于功率的提高十分有限，并且因為沒有采用慣用的48 V電壓而影響系統(tǒng)的開放性。

采用提高電流的方式 802.3af協(xié)議規(guī)定了350 mA的電流上限，并且在過流后會有相應(yīng)的關(guān)斷保護(hù)機(jī)制。所以提高供電電流的方式是在PSE端，以及PD端通過相應(yīng)的外部旁路電路，使超過額定值的電流能夠從旁路流過。

圖2是增加了旁路電流功能的PSE設(shè)計以及PD設(shè)計，通過合適外圍器件的選擇能夠在PD端得到30 W左右的功率。顯而易見這樣的方案增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，同時也只能在專用系統(tǒng)中采用。

采用Cat5雙絞線全部的四對線對一起來傳輸功率 802.3af通常只會用到雙絞線四對線對的其中兩對。在10/100 M以太網(wǎng)中根據(jù)采用線對的不同，分為采用數(shù)據(jù)線對傳輸功率和采用空閑線對傳輸功率兩種情況。

可以看出，采用四線對傳輸功率的方式相當(dāng)于將兩個獨(dú)立的符合標(biāo)準(zhǔn)802.3af協(xié)議供電電路在PD端疊加，以提供大約25 W的高功率。但是這樣不但增加了系統(tǒng)成本，而且同樣只能在專用系統(tǒng)中采用，不具備開放性。

2.2 新興方式下高功率以太網(wǎng)供電方案

在標(biāo)準(zhǔn)802.3af下的高功率應(yīng)用，因為其不開放性和復(fù)雜性使人們需要找到更好的解決方案。正是在這樣的情況下，人們開始越來越關(guān)注802.3at（PoE+）協(xié)議。盡管正式的協(xié)議需要等到2008年或者更晚才可能得到批準(zhǔn)，但是因為他與802.3af協(xié)議之間的密切關(guān)系，還是引起了人們極大的興趣。802.3at是在802.3af的基礎(chǔ)上提出的，所以必須考慮到向前兼容802.3af的器件。盡管802.3at標(biāo)準(zhǔn)還在制訂與修改中，很多芯片廠商還是推出了各自的高功率以太網(wǎng)供電的PSE，PD芯片。一方面能夠在標(biāo)準(zhǔn)確立之前占領(lǐng)相應(yīng)的市場份額；另一方面通過更多的應(yīng)用能夠為正在制訂的802.3at協(xié)議提供修改的建議^[4]。

下面介紹到的具體方案采用的是來自TI的高功率PD芯片TPS2376-H，手冊標(biāo)稱能夠提供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網(wǎng)供電PD端芯片，完全兼容標(biāo)準(zhǔn)802.3af，并能夠保證26 W的功率傳輸。芯片通過提高線路傳輸電流來增大傳輸功率，相比較802.3af協(xié)議的350 mA的上限電流值，TPS2376-H推薦最大傳輸600 mA的大電流。并且提供可調(diào)整的開啟門限，過壓過流保護(hù)，還提高了內(nèi)部開關(guān)MOS管的耐壓值。

圖4為高功率PoE方案的PD端主要電路，為了突出重點(diǎn)這里沒有給出所有的后端電路。

為了完成高功率PoE供電的系統(tǒng)，還需要有PSE端電路的支持。由于能夠支持600 mA電流輸出的PSE器件還很少，所以在系統(tǒng)中采用了Maxim的MAX5945來完成。MAX5945是一款支持標(biāo)準(zhǔn)802.3af協(xié)議的PSE芯片，能夠提供四口供電以及相應(yīng)的電源管理功能，輸出電流推薦值為符合標(biāo)準(zhǔn)的350 mA。因為芯片通過控制外部的MOS開關(guān)來完成電源的輸出，并且通過檢測外部電阻的方式來判斷電流大小。這樣我們選用了允許通過大電流的外部MOS管，并且將原來0-5Ω的檢測電阻換成0-25 Ω的電阻來增大允許通過的電流。通過修改理論上PSE端電路能夠提供比原來多一倍的電流，即700 mA的電流，來滿足高功率PD端電路的需求。

需要特別注意的是，因為線路上傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的同時還要傳輸電流，這樣普通的以太網(wǎng)變壓器會因為過大的電流而發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)錯誤。所以在高功率PoE方案中采用了特制的高功率PoE變壓器，來避免這樣的情況。

3 方案測試與分析

為了驗證高功率PoE系統(tǒng)的性能，特別是在最差情況下的工作狀況，我們需要進(jìn)行最差情況下的性能測試。

因為PD端電路的靜態(tài)工作功率是固定的，為了很好地完成測試，我們斷開了DC/DC后端電路，換成了可變的電子負(fù)載，這樣就可以模擬在任何負(fù)載情況下的狀況了。

主要測試儀器為：PRODIGIT3311電子負(fù)載、電流表，萬用表、100 m Cat5e網(wǎng)線等。

PD端測試框圖如圖5所示。

我們主要關(guān)心在PD端能否得到所需的高功率，所以主要的測試在PD端完成。如圖5所示，通過DC/DC后串接可調(diào)電子負(fù)載來調(diào)整整個PD端單板所需要的電流，同時測試進(jìn)板電壓、進(jìn)板電流來完成測試。

PSE端采用輸出48 V電壓，通過100 m Cat5e雙絞線同PD端相連。主要測試數(shù)據(jù)見表2。

表2的測試數(shù)據(jù)是在室溫條件下測試得到，并且測試電流忽略前端電橋的電流損耗。從表中可以看到，由于PD端的負(fù)載效應(yīng)致使PSE端的輸出電壓小于標(biāo)準(zhǔn)的48 V，通過調(diào)節(jié)電子負(fù)載模擬PD端在不同負(fù)載情況下的表現(xiàn)，同時測試相應(yīng)的電壓、電流值。

從測試到的數(shù)據(jù)可以看出，在PD端通過600 mA電流的情況下，系統(tǒng)能夠在PD端得到24 W左右的功率；在700 mA的情況下，系統(tǒng)能夠在PD端得到27 W左右的功率；當(dāng)繼續(xù)減小PD端負(fù)載大小，電流超過750 mA的情況下，PD端控制芯片TPS2376-H進(jìn)入過流保護(hù)，自動關(guān)斷。

對PD端在不同負(fù)載情況下的電壓-電流建立曲線關(guān)系如圖6所示，功率的增長呈線形關(guān)系，也從側(cè)面證明了測試數(shù)據(jù)的可信性。另外通過PSE端以及PD端電壓與電流的關(guān)系，可以計算出100 m之間Cat5e雙絞線所表現(xiàn)出的電阻在10 Ω左右，考慮到每一路實(shí)際是一個線對并聯(lián)傳輸，所以100 m Cat5e雙絞線的電阻約為20 Ω，與實(shí)際萬用表測試值相吻合。

盡管系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作在700 mA甚至750 mA電流的情況下，但是考慮到裕量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，建議采用芯片推薦的600 mA的電流，可以通過適當(dāng)提高供電電壓來提高傳輸功率。

4 結(jié) 語

以太網(wǎng)供電技術(shù)作為一種創(chuàng)新性的供電方式，已經(jīng)大大地改變了以太網(wǎng)設(shè)備的供電方式。面對以太網(wǎng)設(shè)備越來越大的功率需求，標(biāo)準(zhǔn)的802.3af協(xié)議已經(jīng)不能滿足人們的需求了。盡管號稱支持30 W功率傳輸甚至60 W功率傳輸?shù)?02.3at協(xié)議（PoE+）已經(jīng)在制定過程中，但短時間還得不到批準(zhǔn)。

本文介紹并比較了目前存在的各種大功率以太網(wǎng)供電的主要技術(shù)特征，并且在TI公司提供PD端控制芯片TPS2376-H的基礎(chǔ)上設(shè)計完成了大功率以太網(wǎng)供電系統(tǒng)。通過實(shí)際測試數(shù)據(jù)證明該方案的可行性，能夠為眾多系統(tǒng)廠商提供過渡階段很好的大功率以太網(wǎng)供電方案。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介 劉 佳 1982年出生，四川大學(xué)在讀研究生。主要研究方向為現(xiàn)代信號處理以及高速電路設(shè)計等。