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    以太網(wǎng)供電(PoE)為數(shù)據(jù)終端、無線接入點、網(wǎng)絡攝像頭或網(wǎng)絡電話之類連接到以太網(wǎng)端口的設備提供一種有效的電源解決方案。在以太網(wǎng)供電應用中，電源管理器件在以太網(wǎng)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(zhuǎn)換電壓和電流。本文作者介紹了如何用電源管理器件在網(wǎng)絡交換機、用電設備中實現(xiàn)高性能供電。 

圖1：向后兼容以太網(wǎng)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(huán)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(fā)生故障時，可以用不間斷電源向設備繼續(xù)供電； 
   
    連接到以太網(wǎng)的設備可以被遠程監(jiān)控。

    正是這些優(yōu)點使得PoE成為一項從本質(zhì)上改變了低功耗設備供電方式的全新技術(shù)。能通過PoE技術(shù)供電的設備不勝枚舉，可以在www.poweroverethernet.com網(wǎng)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(shù)據(jù)來源：iSuppli)。同時間，支持后者的企業(yè)網(wǎng)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(xiàn)有的以太網(wǎng)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)交換機具備PoE功能。新的以太網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡攝像頭、VoIP電話、WLAN接入點以及其它電器。如果主電源發(fā)生故障，UPS將提供備用電源。

    電源管理器件在以太網(wǎng)交換機中的應用

    最新的以太網(wǎng)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(tǒng)“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(wǎng)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(wǎng)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(nèi)。高達最大開關(guān)電壓兩倍左右(根據(jù)經(jīng)驗允許開關(guān)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(jiān)控MOSFET的穩(wěn)態(tài)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(jīng)供電并且用電設備的旁路電容已經(jīng)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(tài)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(wǎng)交換機中的MOSFET的更進一步的要求是在關(guān)斷狀態(tài)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(wǎng)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(wǎng)交換機就執(zhí)行一個“發(fā)現(xiàn)”程序以確定這是一臺被設計用來接受以太網(wǎng)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(zhí)行“發(fā)現(xiàn)”程序。之所以需要這個發(fā)現(xiàn)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(tǒng)設備兼容時，“發(fā)現(xiàn)”才會發(fā)生，只有在“發(fā)現(xiàn)”成功后才能提供高電壓直流電源。IEEE802.3af的“發(fā)現(xiàn)”機制基于特征阻抗檢測來實現(xiàn)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(tǒng)電源管理協(xié)議，同時根據(jù)系統(tǒng)供電的輸出能力決定其所能支持的用電設備總數(shù)。為了實現(xiàn)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(wǎng)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(xié)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(fā)現(xiàn)”過程完成，且接口控制器確定電源電壓在容許范圍內(nèi)時，接口控制器的MOSFET會開啟，電源就施加到隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。隔離DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。這是常用的DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，它與低功率電信電源極為相似，現(xiàn)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(guān)電源控制器IC-TEA1502。

    本文小結(jié)

    據(jù)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(wǎng)絡設備供電方式的全新技術(shù)。假以時日，PoE將成為很多設備所采用的普及技術(shù)。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。