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    以太網供電(PoE)為數據終端、無線接入點、網絡攝像頭或網絡電話之類連接到以太網端口的設備提供一種有效的電源解決方案。在以太網供電應用中，電源管理器件在以太網交換機和PoE“中跨”集線器中以及用電設備的DC-DC電源中用來轉換電壓和電流。本文作者介紹了如何用電源管理器件在網絡交換機、用電設備中實現高性能供電。 

圖1：向后兼容以太網交換機的"中跨"式集線器

    由于每一個設備僅需要一套線纜，簡化了連接各個設備的布線，并降低了布線成本；
 
    省去交流電源線以及交流適配器，使得工作環境更加安全、整潔并且開銷更低；

    可以很容易地將設備從一處搬移到另一處； 
   
    當交流主電源發生故障時，可以用不間斷電源向設備繼續供電； 
   
    連接到以太網的設備可以被遠程監控。

    正是這些優點使得PoE成為一項從本質上改變了低功耗設備供電方式的全新技術。能通過PoE技術供電的設備不勝枚舉，可以在www.poweroverethernet.com網站上查看其具體的門類與品種。但是，當下推動PoE總有效市場增長(TAM, Total Available Market)的主力是兩類用電設備：WLAN接入點和VoIP電話。到2007年，前者的年復合增長率(CAGR)將為38%，達到1,500萬臺(數據來源：iSuppli)。同時間，支持后者的企業網絡預期將達到300萬單位。而這些用電設備的需求反過來也推動著現有的以太網交換機升級，從而具備支持PoE的能力。這可以通過使用下圖中所示的“中跨”方案解決。據預測，這些設備的增長到2007年可以達到800萬臺，達到68%的增長。

    在這些例子中，通過在網絡中加入將電源注入雙絞線LAN電纜的“中跨”(midspan)PoE集線器使原先的以太網交換機具備PoE功能。新的以太網交換機將會包括這里提到的“中跨”集線器的功能，向通過高速數據電纜與其連接著的用電設備(PD)供電。這些用電設備可以是網絡攝像頭、VoIP電話、WLAN接入點以及其它電器。如果主電源發生故障，UPS將提供備用電源。

    電源管理器件在以太網交換機中的應用

    最新的以太網交換機能夠通過其24或48個獨立的端口向用電設備提供PoE連接，并且還具有與非PoE系統“向后兼容”的能力。每臺用電設備都使用其自身的48V輸入電源供電，每臺設備最大允許功耗為15.4W，以太網交換機可以對每臺設備的供電功率單獨進行管理。

    IEEE802.3af PoE標準最多允許在每臺用電設備消耗大約13W的功率，而以太網交換機提供的最大15.4W的功率是為了彌補長電纜帶來的一定程度損耗。在用電設備端，48V電源的實際電壓值可以在36-57V范圍內。高達最大開關電壓兩倍左右(根據經驗允許開關尖峰等)的電壓要求必須采用額定VDS為100V的分立MOSFET。

圖2：熱插拔控制器

    PoE控制器通常指的是“熱插拔”(Hot Swap)控制器，這些IC的功能包括：
 
    分別控制四個獨立的PoE端口； 

    檢測有效的用電設備的連接狀況； 

    (使用低阻值的檢測電阻)監控MOSFET的穩態電流； 

    當用電設備剛剛連接到一個端口時，控制浪涌電流以及MOSFET的功耗； 

    具備低電流斷開檢測功能以確定用電設備是否斷開連接。

    在正常工作下，當一個端口已經供電并且用電設備的旁路電容已經充電到端口電壓，外部MOSFET的功耗非常低。這意味著較小的MOSFET就能用來完成這個功能。然而，IEEE802.3af的其它要求，例如加電時的浪涌電流以及不兼容的用電設備連接到端口的風險，要求MOSFET能承受很大的瞬態功耗。正是基于這些原因，才選用了分立MOSFET而不是集成方案。

    對于用在以太網交換機中的MOSFET的更進一步的要求是在關斷狀態下的漏電流非常低。IEEE802.3af要求每端口絕對最大漏電流不得高于12(A，而且這個要求還包括了除MOSFET之外其它可能存在的保護電路的泄漏途徑。飛利浦半導體的MOSFET就是被設計成為符合此項要求的，其最大漏電流僅為1A。

    電源管理器件在用電設備中的使用

    用電設備的框圖如圖3所示。來自以太網電纜的直流電源通過二極管橋式整流器恢復，因此消除了用電設備電路電壓極性加反的可能性。當一個設備接入到一個PoE端口時，以太網交換機就執行一個“發現”程序以確定這是一臺被設計用來接受以太網供電的設備，還是不支持PoE的老式設備。

    當用電設備斷開時，也會執行“發現”程序。之所以需要這個發現程序的原因是將高電壓(48V)連到許多過去的設備上時會造成設備損毀。

    有鑒于此，電壓與已有的傳統設備兼容時，“發現”才會發生，只有在“發現”成功后才能提供高電壓直流電源。IEEE802.3af的“發現”機制基于特征阻抗檢測來實現的。

    通過確定從每個端口吸取的功率，供電設備(PSE) 能借助系統電源管理協議，同時根據系統供電的輸出能力決定其所能支持的用電設備總數。為了實現這種電源管理，要在IEEE802.3af標準加入一種稱為“分類”的可選方法。“分類”方法可以讓用電設備向以太網交換機或“中跨”集線器報告其最大功率需求，因此電源管理協議能將未用的功率分配給其他端口，從而充分利用電源容量。

圖3：用電設備框圖

    一旦“發現”過程完成，且接口控制器確定電源電壓在容許范圍內時，接口控制器的MOSFET會開啟，電源就施加到隔離DC-DC轉換器。隔離DC-DC轉換器要能在用電設備前端和PD電路的其他部分間提供1,500V的隔離(這是一個安全特性)，向這些電路的輸入端提供一個或多個較低的直流電壓，其總的最大功耗為13W。轉換器的輸入額定電壓通常為48V，采用通用的前向式和回掃拓撲結構。這是常用的DC-DC轉換器結構，它與低功率電信電源極為相似，現有的多個控制器IC可以滿足這一要求，如飛利浦半導體GREENCHIP系列中的 開關電源控制器IC-TEA1502。

    本文小結

    據VDC預測，到2007年，高達49.6億個端口將采用電源管理芯片。由于并不是所有的端口都會被利用到，假定其中的一半會投入使用，也就是說用電設備的總有效市場為24.8億。

    綜上所述，PoE是一項改變網絡設備供電方式的全新技術。假以時日，PoE將成為很多設備所采用的普及技術。而且，正是電源管理器件(既包括IC也包括MOSFET)成就了這種改變。