基于MAX5980芯片的POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試，論證了POE芯片結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)際應(yīng)用的可行性，該方案設(shè)計(jì)完整，運(yùn)行穩(wěn)定，能充分滿足后端網(wǎng)絡(luò)的各類(lèi)受電器件的正常工作。

一、引言

POE(Power Over Ethernet)以太網(wǎng)供電，指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)的架構(gòu)下不作任何改動(dòng)，在為一些基于IP的終端設(shè)備(如IP電話機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，還能同時(shí)為此類(lèi)設(shè)備本身提供直流供電的技術(shù)。POE設(shè)備包括電源輸出設(shè)備PSE和電源接受設(shè)備PD,本文重點(diǎn)討論電源輸出設(shè)備PSE.

利用POE技術(shù)，用戶無(wú)需再為每個(gè)連接POE的終端設(shè)備提供墻壁電源，從而節(jié)省了為連接IP電話、無(wú)線LAN接入點(diǎn)、視頻監(jiān)視攝像機(jī)、建筑物管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程視頻亭等設(shè)備所須的電源布線成本。

此外，借助PoE,企業(yè)還能夠?qū)⒁恍╆P(guān)鍵的設(shè)備鎖定在一個(gè)電源上，用UPS備份電源支持整個(gè)系統(tǒng)，如此一來(lái)，必將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的供電保障，從而提高整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和安全性。

二、系統(tǒng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)

隨著以太網(wǎng)在全球使用日漸趨于平民化，相應(yīng)的組網(wǎng)設(shè)備迅速得以開(kāi)發(fā)，在長(zhǎng)期的使用中，與之配套的供電電源一直是困擾組網(wǎng)的終端設(shè)備進(jìn)一步普及的瓶頸之一。于是，通過(guò)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線對(duì)或備用線對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備供電的標(biāo)準(zhǔn)自然地隨著市場(chǎng)的需求和技術(shù)的開(kāi)發(fā)得以頒布執(zhí)行。

IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以太網(wǎng)供電(POE)及相關(guān)的實(shí)施細(xì)則做了詳盡的規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)作為一個(gè)基于以太網(wǎng)絡(luò)的電源傳輸協(xié)議，詳細(xì)規(guī)定了相應(yīng)的送電設(shè)備(PSE)對(duì)受電設(shè)備(PD)進(jìn)行供電的機(jī)理。其中包括了對(duì)受電設(shè)備進(jìn)行在線測(cè)試，分級(jí)處理，啟動(dòng)供電，斷接保護(hù)等多項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施細(xì)則。協(xié)議還對(duì)以太網(wǎng)輸電線路(PTL)作了詳細(xì)的規(guī)定。

本文的系統(tǒng)方案完全建立在上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在確保現(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的情況下，同時(shí)保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，從而最大限度地降低了成本。

三、芯片選擇與電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，我們比對(duì)了國(guó)際上多款能實(shí)現(xiàn)PSE功能的芯片，美國(guó)美訊公司的MAX5980因其設(shè)計(jì)卓越，配套方案合理，整個(gè)管控渠道的通暢而引起了我們的注意。這在為我們以后的設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。

MAX5980是一款四通路的電源送電設(shè)備(PSE)的電源控制器。芯片是專(zhuān)門(mén)為用于符合IEEE 802.3at/af及兼容的PSE設(shè)備設(shè)計(jì)的。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，該器件針對(duì)后端的受電設(shè)備具有，探測(cè)，分級(jí)，限流，和負(fù)載斷開(kāi)檢測(cè)等功能。該器件支持全自動(dòng)操作同時(shí)支持軟件編程控制。該器件還支持新的兩事件分級(jí)和針對(duì)大功率的受電設(shè)備的第5類(lèi)探測(cè)和分級(jí)功能。

該器件支持單電源供電，每個(gè)端口(第五類(lèi)啟用)可提供高達(dá)70W的功率，同時(shí)可提供對(duì)后端原有的受電設(shè)備的高容抗檢測(cè)。

根據(jù)MAX5980的技術(shù)特性，我們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)4路PSE的電原理圖，如圖1所示。

根據(jù)芯片資料，PSE控制器MAX5980的輸入電壓設(shè)計(jì)為48V直流。芯片的輸出部分采用4個(gè)大功率的場(chǎng)效應(yīng)管作為4個(gè)網(wǎng)絡(luò)供電輸出的電流控制端。

48V直流輸入由開(kāi)關(guān)電源提供。電源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口輸出，提供給后端的受電設(shè)備。場(chǎng)效應(yīng)管是整個(gè)電源輸出的控制回路中的關(guān)鍵元件?；芈分袌?chǎng)效應(yīng)管的源極接0.25歐姆取樣電阻，然后再返回到芯片。

輸出電流經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管，通過(guò)取樣電阻采樣，監(jiān)測(cè)輸出回路的電流。芯片可以隨時(shí)通過(guò)SENSE端口進(jìn)行取樣，讀取后端PD設(shè)備的負(fù)載特征。經(jīng)過(guò)判斷，芯片可控制場(chǎng)效應(yīng)管的G極做出各種控制響應(yīng)。

根據(jù)802.3at協(xié)議的定義和芯片的功能設(shè)計(jì)，芯片將根據(jù)不同的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，然后再進(jìn)行檢測(cè)，分級(jí)，端口電壓?jiǎn)?dòng)，過(guò)流保護(hù)，欠壓和過(guò)壓保護(hù)等動(dòng)作。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片系統(tǒng)的運(yùn)行。

在調(diào)試過(guò)程中，在48V輸入端并接了2個(gè)0.1uf的電容，用來(lái)抑制電源的紋波系數(shù)，增強(qiáng)抗干擾能力，提高電源的可靠性。同時(shí)，在48V的端還選用了SMIB58瞬態(tài)抑制管，用于防止大電流的沖擊，避免器件受損。

MAX5980的1、2、3腳為外接串行總線的接口線，本文中不采用I2C串行總線，根據(jù)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)要求，必須將這3根線接地。

芯片的5、6、7、8腳作為器件的從地址的位置編碼端，在設(shè)計(jì)中也必須接地。

根據(jù)IEEE802.3af協(xié)議對(duì)PSE和PD之間接口定義的連接標(biāo)準(zhǔn)，POE的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的端口接線方法有兩種接法，如圖2、圖3所示。

圖2為A型接法，其中的RJ45端口在承擔(dān)傳輸輸入輸出信號(hào)的同時(shí)還需要傳輸直流電，1、2芯線為正極輸出，3、6芯線為負(fù)極輸出。

圖3為B型接法，圖3所示的RJ45的4、5,7、8芯線用做PSE的直流電源的輸出。其中的4、5芯線連接電源的正極，7、8芯線連接電源的負(fù)極。

由于在RJ45的端口定義中，4、5,7、8芯線不承擔(dān)信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，因此，在PSE的設(shè)計(jì)中需要考慮的電氣特性相對(duì)簡(jiǎn)單。本文中選擇了B型接法作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源輸出，這也將為之后的與交換機(jī)芯片合成帶來(lái)方便。

MAX5980的取樣關(guān)鍵在于輸出電路取樣電阻的測(cè)試精度，因此，在具體的PCB布線設(shè)計(jì)時(shí)采用了開(kāi)爾文檢測(cè)的布線方式，從而保證了電路的測(cè)試精度。這點(diǎn)在具體的布線布局和設(shè)計(jì)中尤為重要。每個(gè)取樣電阻都采用1206的封裝，可以減少因電路的走線帶來(lái)的采樣偏差。

四、交換芯片的配合應(yīng)用

本系統(tǒng)采用IP175C芯片作為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的處理器。該芯片是專(zhuān)門(mén)為小型的企業(yè)和家庭級(jí)的以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)的處理芯片，芯片已經(jīng)長(zhǎng)期使用，狀態(tài)情況良好，性能穩(wěn)定，業(yè)界評(píng)價(jià)很高，是與MAX5980相配合的理想的交換芯片。

有關(guān)IP175C芯片這部分本文不再進(jìn)行展開(kāi)描述，重點(diǎn)對(duì)修正部分進(jìn)行必要的闡述。

為保證MAX5980的工作穩(wěn)定，IP175C的工作電壓必須從MAX5980的輸入端接入，通過(guò)LM2594降壓至IP175C所需的工作電壓。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和PSE的端口指示電路的供電電壓也必須從MAX5980的輸入端接入。

以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)IP175C處理器進(jìn)行交換處理，信號(hào)從RJ45端口輸出，接口電路如圖4所示。

為了保證數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸質(zhì)量，芯片信號(hào)的輸入輸出都是成差分對(duì)的，在設(shè)計(jì)和布線時(shí)候都必須圍繞著這個(gè)特點(diǎn)展開(kāi)。

如圖4所示電路中的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器主要用作傳輸信號(hào)中的電平轉(zhuǎn)換，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸能力，提高信號(hào)的抗干擾能力。

PSE的直流輸出如圖所示接入，并通過(guò)RJ45端口輸出為后端供電。為了保證電氣特性穩(wěn)定，在2個(gè)端口和機(jī)殼間都增加了濾波電容。

五、POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的仿真測(cè)試

下圖所展示的是POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)仿真測(cè)試示意圖。

MAX5980在與IP175C網(wǎng)絡(luò)芯片構(gòu)成完整的5口的帶有POE功能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)后，其中的第一端口作為網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)口，用作連接上層交換設(shè)備。其余的4個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口都具有對(duì)后端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)供電的帶有POE功能的端口。在根據(jù)上文的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，該方案的設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)時(shí)所提出的要求。系統(tǒng)工作正常，性能穩(wěn)定可靠。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)MAX5980芯片與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)芯片進(jìn)行聯(lián)合分析，提出了基于MAX5980芯片的POE網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)的POE交換機(jī)作為新推出的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，對(duì)以太網(wǎng)的方便架構(gòu)起著十分重要的作用。

最后通過(guò)方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試，論證了POE芯片結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)際應(yīng)用的可行性，該方案設(shè)計(jì)完整，運(yùn)行穩(wěn)定，能充分滿足后端網(wǎng)絡(luò)的各類(lèi)受電器件的正常工作。