電源管理芯片在以太網(wǎng)供電中的應(yīng)用

什么是以太網(wǎng)供電？

術(shù)語(yǔ)“以太網(wǎng)”是指 IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的各種局域網(wǎng) (LAN) 系統(tǒng)。以太網(wǎng)協(xié)議是在工作場(chǎng)所，通過(guò)高速數(shù)據(jù)電纜將臺(tái)式 PC 與中央文件服務(wù)器連接起來(lái)的協(xié)議。任何連接到以太網(wǎng)端口的設(shè)備，如數(shù)據(jù)終端、無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) (web cam) 或網(wǎng)絡(luò)電話(huà)等，都需要通過(guò)電池或獨(dú)立 AC 插座為自己供電。而更為優(yōu)雅的方法則是能夠向連接到以太網(wǎng)的任何設(shè)備同時(shí)傳輸電源和數(shù)據(jù)。如果這種傳輸方式能夠利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線(xiàn)，則可以保持 100% 的歷史兼容性，那將再好不過(guò)了。這正是 IEEE802.3af 規(guī)范中定義的以太網(wǎng)供電 (PoE) 標(biāo)準(zhǔn)所提供的內(nèi)容。這一新標(biāo)準(zhǔn)于 2003 年 6 月由 IEEE 批準(zhǔn)，是通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送和接收電源信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。PoE 的優(yōu)點(diǎn)在于：

由于每個(gè)設(shè)備只需要一組連線(xiàn)，因此每個(gè)設(shè)備的布線(xiàn)更為簡(jiǎn)單和便宜；

免去了 AC 插座和適配器，使工作環(huán)境更安全、整潔，成本也更 低；

可輕易地將設(shè)備從一處移至另一處；

無(wú)間斷電源可確保在 AC 電源

斷電時(shí)繼續(xù)為設(shè)備供電；可對(duì)連接到以太網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

正是這些優(yōu)點(diǎn)使得以太網(wǎng)供電成為一項(xiàng)從本質(zhì)上改變了低功耗設(shè)備供電方式的全新技術(shù)。但就目前而言，推動(dòng) PoE 總有效市場(chǎng)增長(zhǎng) (TAM, Total Available Market) 的主力是兩類(lèi)用電設(shè)備：無(wú)線(xiàn) LAN 接入點(diǎn)和 VoIP（網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音）電話(huà)。至 2007 年，前者的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 為 38%，達(dá) 1500 萬(wàn)個(gè)（來(lái)源：iSuppli），而支持后者的企業(yè)網(wǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到 300 萬(wàn)個(gè)。對(duì)用電設(shè)備的這種需求反過(guò)來(lái)將推動(dòng)現(xiàn)有以太網(wǎng)交換機(jī)向支持 PoE 功能轉(zhuǎn)移的需求。這是通過(guò)使用“中繼”(midspan) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。這些單元的增長(zhǎng)至 2007 年預(yù)計(jì)將達(dá)到 800 萬(wàn)，增長(zhǎng)率為 68%。

在圖1的示例中，源頭的以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)一個(gè)“中繼”以太網(wǎng)供電集線(xiàn)器將電源“注入”局域網(wǎng)的雙絞線(xiàn)電纜來(lái)提供 PoE 功能。新的以太網(wǎng)交換機(jī)將集成該“中繼”，從而實(shí)現(xiàn)向通過(guò)高速數(shù)據(jù)電纜連接的用電設(shè)備 (PD) 供電。這些用電設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) (web cam)、網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音電話(huà)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入點(diǎn)和其他電器設(shè)備。不間斷電源 (UPS) 將提供備用電源，以防市電斷電。

電源管理器件用于轉(zhuǎn)換電壓和電流，可以用在以太網(wǎng)交換機(jī)中，以太網(wǎng)供電“中繼”集線(xiàn)器中，以及位于用電設(shè)備中的 DC-DC 轉(zhuǎn)換單元中。下面各段將對(duì)這些功能中的每個(gè)功能分別進(jìn)行討論。

電源管理器件在以太網(wǎng)交換機(jī)中的應(yīng)用

最新的以太網(wǎng)交換機(jī)可以通過(guò) 24 或 48 個(gè)獨(dú)立端口向用電設(shè)備提供 PoE 連接性，并與非 PoE 系統(tǒng)保持歷史兼容。每臺(tái)用電設(shè)備均由其自己的48V電源供電，每臺(tái)用電設(shè)備的最大允許功耗為15.4W，以太網(wǎng)交換機(jī)可以對(duì)每臺(tái)設(shè)備的用電單獨(dú)進(jìn)行管理。

IEEE802.3af PoE 規(guī)范最多允許在每臺(tái)用電設(shè)備處消耗大約 13W 的功率，而以太網(wǎng)交換機(jī)提供的最大 15.4W 的功率是為了彌補(bǔ)長(zhǎng)電纜帶來(lái)的一定程度的損耗。48V 電源實(shí)際上允許在用電設(shè)備端使用36～ 57V 之間的任意電壓。電壓要求大約為最大開(kāi)關(guān)電壓的 2 倍(應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)尖脈沖等的經(jīng)驗(yàn)法則)，要求電源開(kāi)關(guān)必須采用額定VDS為 100V的分立 MOSFET。

圖2 顯示了一個(gè)PoE控制器，通過(guò)分立 MOSFET控制四個(gè)端口。在該例中，使用的是飛利浦半導(dǎo)體公司的四個(gè) PHT4NQ10T 器件。這種配置相當(dāng)于每個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)或中繼采用 12 個(gè) IC 和 48 個(gè) MOSFET。到2007 年，用于“中繼”電源管理的 MOSFET的總有效市場(chǎng)容量 (TAM) 將達(dá)到 5700 萬(wàn)美元（3 億 8 千 4 百萬(wàn)只），而IC將達(dá)到 4800 萬(wàn)美元（9600 萬(wàn)片）。

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(gè)獨(dú)立的 PoE 端口；

檢測(cè)有效用電設(shè)備的連接； (使用低阻值的檢測(cè)電阻)監(jiān)測(cè)MOSFET 的穩(wěn)態(tài)電流；

當(dāng)一個(gè)用電設(shè)備第一次連接到個(gè)端口時(shí)，控制浪涌電流和MOSFET功耗；

具備欠流斷開(kāi)檢測(cè)功能以確定用電設(shè)備是否已斷開(kāi)連接。

在正常工作情況下，當(dāng)一個(gè)端口已經(jīng)供電并且用電設(shè)備的旁路電容已經(jīng)充電到端口電壓時(shí)，外部 MOSFET 的功耗非常低。這意味著較小的 MOSFET 就能完成這個(gè)功能。然而，IEEE802.3af 的其他要求，例如加電時(shí)的浪涌電流以及不兼容的用電設(shè)備連接到端口的風(fēng)險(xiǎn)，要求 MOSFET 能承受很大的瞬態(tài)功耗。正是基于這些原因，才采用了分立 MOSFET 而不是集成方案。

對(duì)以太網(wǎng)交換機(jī)中的 MOSFET 的進(jìn)一步要求是其在關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流要非常低。IEEE802.3af 要求每端口絕對(duì)最大漏電流不得高于 12 A，而且這個(gè)要求還包括了除 MOSFET 之外其他可能存在的保護(hù)電路的泄漏途徑。飛利浦半導(dǎo)體公司的 MOSFET 就是為滿(mǎn)足此項(xiàng)要求而設(shè)計(jì)的，其最大漏電流僅為 1 A。

電源管理器件在用電設(shè)備 (PD) 中的應(yīng)用

用電設(shè)備的框圖如圖 3 所示。來(lái)自以太網(wǎng)電纜的直流電源通過(guò)二極管橋式整流器恢復(fù)，因此消除了用電設(shè)備電路電壓極性加反的可能性。當(dāng)一個(gè)設(shè)備連接到一個(gè) PoE 端口時(shí)，以太網(wǎng)交換機(jī)就執(zhí)行一個(gè)“發(fā)現(xiàn)”程序以確定該設(shè)備是否為可接受以太網(wǎng)供電的設(shè)備，還是不支持 PoE 的老式設(shè)備。當(dāng)用電設(shè)備斷開(kāi)時(shí)，也會(huì)執(zhí)行“發(fā)現(xiàn)”程序。之所以需要這個(gè)發(fā)現(xiàn)程序是因?yàn)楦唠妷?(48V) 連到許多傳統(tǒng)設(shè)備上會(huì)造成設(shè)備損毀。有鑒于此，當(dāng)電壓與已有的傳統(tǒng)設(shè)備兼容時(shí)，就會(huì)執(zhí)行“發(fā)現(xiàn)”程序，只有在“發(fā)現(xiàn)”符合要求時(shí)才會(huì)提供高電壓直流電源。IEEE802.3af 的“發(fā)現(xiàn)”機(jī)制是基于特性阻抗的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)確定從每個(gè)端口吸收的功率，供電設(shè)備 (PSE) 可輔助系統(tǒng)電源管理協(xié)議，根據(jù)系統(tǒng)供電的輸出能力，確定其所能支持的用電設(shè)備總數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這種電源管理，IEEE802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中加入了一種稱(chēng)為“分類(lèi)”的可選方法?！胺诸?lèi)”方法可以讓用電設(shè)備向以太網(wǎng)交換機(jī)或“中繼”集線(xiàn)器報(bào)告其最大功率需求，從而使電源管理協(xié)議能將未使用的功率分配給其他端口，充分利用已安裝的電源容量。

接口控制器的功能是作為用電設(shè)備電路主電路的“通斷開(kāi)關(guān)”，基于一個(gè) 100V 的 N 溝道 MOSFET 構(gòu)建。僅當(dāng)額定 48V 電源位于可接受容限以?xún)?nèi)時(shí)，接口控制器才會(huì)允許用電設(shè)備連接。此外，接口控制器通常還提供浪涌電流限制和故障電流限制功能。MOSFET 的浪涌性能則與上面以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用中的 100V MOSFET 相當(dāng)。

一旦“發(fā)現(xiàn)”過(guò)程完成，且接口控制器確定電源電壓在容許范圍內(nèi)時(shí)，接口控制器的 MOSFET 就會(huì)開(kāi)啟，電源就施加到隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需能在用電設(shè)備前端和用電設(shè)備電路的其他部分之間提供 1500V 的隔離(這是一種安全特性)，并向用電設(shè)備電路的其他部分提供一個(gè)或多個(gè)低壓直流電壓，最大總功耗為 13W。該轉(zhuǎn)換器的輸入額定電壓為 48V，采用通用的前向和返弛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是常用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，與低功率電信電源極為相似。有多種控制器 IC 可以滿(mǎn)足這一需求。如飛利浦半導(dǎo)體公司 GREENCHIPTM 系列中的開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 控制器 IC 芯片 TEA1502。

據(jù) VDC 預(yù)測(cè)，到 2007 年，高達(dá) 4.96 億個(gè)端口將采用電源管理芯片。由于并不是所有的端口都會(huì)被利用到，當(dāng)使用率為 50% 時(shí)，用電設(shè)備的總有效市場(chǎng)容量將為 2.48 億。

小結(jié)

綜上所述，PoE 是一項(xiàng)將改變?cè)O(shè)備供電方式的全新技術(shù)。假以時(shí)日，PoE 將成為很多設(shè)備所采用的普及技術(shù)。正是電源管理器件（既包括 IC 也包括 MOSFET）成就了這種改變。