讓我們的 PSE 系統(tǒng)更智能、更高效

以太網(wǎng)供電 (PoE) 使以太網(wǎng)電纜能夠承載電力和數(shù)據(jù)。例如，舊的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 電話通常需要直流電源和以太網(wǎng)電纜來分別提供電力和數(shù)據(jù)。通過在以太網(wǎng)交換機(jī)中實(shí)施 PoE，電力通過以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)?IP 電話，無需電源。參見圖 1。

圖 1：新舊 IP 電話數(shù)據(jù)/電源路徑

以太網(wǎng)電纜的兩側(cè)有兩種類型的設(shè)備：供電設(shè)備 (PSE) 和受電設(shè)備 (PD)。在采購(gòu)端，PSE 設(shè)備通常安裝在以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)和無線回程中。PD在負(fù)載側(cè)管理和保護(hù)PoE系統(tǒng)。PD 通常安裝在 IP 電話、安全攝像頭和接入點(diǎn)中。

在這篇文章中，我將解釋何時(shí)需要系統(tǒng)軟件來控制 PSE 以實(shí)現(xiàn)比 IEEE802.3at（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)）中定義的功能更多的功能，以及如何開始使用 TPS23861 PoE MSP430?用于開發(fā)我們自己的系統(tǒng)軟件的微控制器 (MCU) 參考代碼。

該TPS23861下，PoE PSE控制器，適用于大眾市場(chǎng)應(yīng)用最流行的PSE設(shè)備之一，在產(chǎn)品，如監(jiān)控的NVR，以太網(wǎng)交換機(jī)和無線接入點(diǎn)設(shè)計(jì)。它具有三種模式：自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，不需要主機(jī)控制，TPS23861可以自行操作（包括檢測(cè)、分類、上電和故障處理）。這種模式通常用于標(biāo)準(zhǔn)的低端口數(shù) PSE 系統(tǒng)。在半自動(dòng)模式下，只要使能檢測(cè)和分類（0x14），端口就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和分類。需要一個(gè)按鈕命令 (0x19h) 來打開端口的電源。半自動(dòng)模式通常用于設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)多端口電源管理的高端口數(shù) PSE 系統(tǒng)。手動(dòng)模式提供了最大的靈活性。它用于非標(biāo)準(zhǔn)的 PoE 應(yīng)用，例如大功率 PoE PD 和非 PoE 負(fù)載。

在半自動(dòng)或手動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，具有這些標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)將需要一個(gè)外部 MCU 來控制 PSE：

· 系統(tǒng)的端口數(shù)很高（超過八個(gè)端口）。

· 系統(tǒng)需要接入大功率PoE PD等非標(biāo)準(zhǔn)PD。

· 電源無法在滿載的情況下為所有端口供電，因此需要多端口電源管理模塊。

一旦我們確定我們的系統(tǒng)是否需要外部 MCU，可用于開發(fā)我們自己的軟件的一個(gè)很好的資源是 TPS23861 PoE MSP430 MCU 參考代碼。本系統(tǒng)軟件支持：

· 完全符合 IEEE802.3at PoE 規(guī)范。

· 設(shè)備檢測(cè)、分類和開機(jī)。

· 故障報(bào)告（過流、過熱、直流斷開等）。

· 多端口電源管理。

多端口電源管理

多端口電源管理方法管理 PD 的分布和優(yōu)先級(jí)。IEEE 規(guī)范本身沒有定義電源管理；相反，它是一種利用 PoE 規(guī)范的功能，因?yàn)樗x了端口和系統(tǒng)電源等術(shù)語。

啟用 POE 的系統(tǒng)中多端口電源管理的目標(biāo)有兩個(gè)：為盡可能多的 PoE PD 供電并限制 PoE PD 的電源循環(huán)。

可用的最大系統(tǒng)功率限制了可供電端口的總數(shù)。例如，每個(gè) PoE PD 最多可以消耗 30W，一個(gè) 48 端口的系統(tǒng)可以消耗超過 1,440W 的總系統(tǒng)功率。如果可用的最大系統(tǒng)功率小于 1,440W，則需要多端口電源管理，以便在滿足目標(biāo)的同時(shí)最有效地使用可用系統(tǒng)功率。

在 TPS23861 PoE MSP430 MCU 參考代碼中，多端口電源管理模塊在半自動(dòng)模式參考代碼中實(shí)現(xiàn)。

有兩種實(shí)現(xiàn)電源管理功能的方法：

· 在不檢查剩余功率的情況下打開每個(gè)端口的電源，如果系統(tǒng)總功率超過功率預(yù)算，則關(guān)閉端口。

· 在給每個(gè)端口上電之前，計(jì)算系統(tǒng)總電量并檢查剩余電量是否足以為端口上電。

TPS23861 PoE ?MSP430 MCU 參考代碼實(shí)現(xiàn)了第二種方法，考慮了更嚴(yán)重的情況，即軟件中的功率預(yù)算與電源的實(shí)際功率容量之間的余量不足以打開一個(gè)額外的端口。

在 PSE 發(fā)現(xiàn)有效的 PoE PD 后插入多端口電源管理模塊。我最初的想法是計(jì)算剩余的功率，并將其與當(dāng)前端口請(qǐng)求的功率進(jìn)行比較（通過分類后的分類結(jié)果估計(jì)）。如果剩余電量足夠開啟當(dāng)前端口，則會(huì)發(fā)起開機(jī)命令；否則，系統(tǒng)軟件或主機(jī)會(huì)檢查是否有任何低優(yōu)先級(jí)的端口上電。當(dāng)PD設(shè)備連接到PSE端口時(shí)，PSE產(chǎn)生中斷；那么主機(jī)就知道哪個(gè)端口連接了PD。

如果存在優(yōu)先級(jí)較低的端口，主機(jī)將關(guān)閉該端口，以便有足夠的電力打開當(dāng)前端口。

如果你再深入思考一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)上面的邏輯還有一些沒有考慮到的極端情況：

· 如果關(guān)閉所有低優(yōu)先級(jí)端口后，剩余電量仍然不足以打開當(dāng)前端口怎么辦？

· 由于系統(tǒng)功率只有在端口插入完成分類時(shí)才計(jì)算，如果PD處于休眠模式或者上電后沒有拉滿負(fù)載，并且在某個(gè)時(shí)間負(fù)載突然增加怎么辦？

考慮到這兩種極端情況，我們從兩個(gè)方面優(yōu)化了多端口電源管理算法：

· 我們不是在識(shí)別出電量不足后關(guān)閉優(yōu)先級(jí)較低的端口，而是在關(guān)閉所有優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前端口的端口后，先檢查剩余電量是否足夠。如果電量仍然不夠，我們就讓當(dāng)前端口等待。否則我們關(guān)閉每個(gè)循環(huán)中最低優(yōu)先級(jí)的端口。

· 為避免負(fù)載階躍變化損壞電源，我們添加了一個(gè)模塊，該模塊在定時(shí)器觸發(fā)的中斷中運(yùn)行，用于監(jiān)控消耗的系統(tǒng)總功率。如果超過功率預(yù)算，它將關(guān)閉最低優(yōu)先級(jí)的端口。

圖 2 為上電決策流程圖，圖 3 為系統(tǒng)電源監(jiān)控流程圖。

圖2：開機(jī)決策流程圖

圖 3：系統(tǒng)電源監(jiān)控流程圖