電源管理芯片在以太網(wǎng)供電中的應用

什么是以太網(wǎng)供電？

術語“以太網(wǎng)”是指 IEEE802.3 標準涵蓋的各種局域網(wǎng) (LAN) 系統(tǒng)。以太網(wǎng)協(xié)議是在工作場所，通過高速數(shù)據(jù)電纜將臺式 PC 與中央文件服務器連接起來的協(xié)議。任何連接到以太網(wǎng)端口的設備，如數(shù)據(jù)終端、無線接入點、網(wǎng)絡攝像機 (web cam) 或網(wǎng)絡電話等，都需要通過電池或獨立 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)的任何設備同時傳輸電源和數(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，則可以保持 100% 的歷史兼容性，那將再好不過了。這正是 IEEE802.3af 規(guī)范中定義的以太網(wǎng)供電 (PoE) 標準所提供的內(nèi)容。這一新標準于 2003 年 6 月由 IEEE 批準，是通過以太網(wǎng)發(fā)送和接收電源信號的標準。PoE 的優(yōu)點在于：

由于每個設備只需要一組連線，因此每個設備的布線更為簡單和便宜；

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；

可輕易地將設備從一處移至另一處；

無間斷電源可確保在 AC 電源

斷電時繼續(xù)為設備供電；可對連接到以太網(wǎng)的設備進行遠程監(jiān)控。

正是這些優(yōu)點使得以太網(wǎng)供電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。但就目前而言，推動 PoE 總有效市場增長 (TAM, Total Available Market) 的主力是兩類用電設備：無線 LAN 接入點和 VoIP（網(wǎng)絡語音）電話。至 2007 年，前者的復合年增長率 (CAGR) 為 38%，達 1500 萬個（來源：iSuppli），而支持后者的企業(yè)網(wǎng)預計將達到 300 萬個。對用電設備的這種需求反過來將推動現(xiàn)有以太網(wǎng)交換機向支持 PoE 功能轉移的需求。這是通過使用“中繼”(midspan) 來實現(xiàn)的，如圖1所示。這些單元的增長至 2007 年預計將達到 800 萬，增長率為 68%。

在圖1的示例中，源頭的以太網(wǎng)交換機通過一個“中繼”以太網(wǎng)供電集線器將電源“注入”局域網(wǎng)的雙絞線電纜來提供 PoE 功能。新的以太網(wǎng)交換機將集成該“中繼”，從而實現(xiàn)向通過高速數(shù)據(jù)電纜連接的用電設備 (PD) 供電。這些用電設備可以是網(wǎng)絡攝像機 (web cam)、網(wǎng)絡語音電話、無線局域網(wǎng)接入點和其他電器設備。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換電壓和電流，可以用在以太網(wǎng)交換機中，以太網(wǎng)供電“中繼”集線器中，以及位于用電設備中的 DC-DC 轉換單元中。下面各段將對這些功能中的每個功能分別進行討論。

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)交換機可以通過 24 或 48 個獨立端口向用電設備提供 PoE 連接性，并與非 PoE 系統(tǒng)保持歷史兼容。每臺用電設備均由其自己的48V電源供電，每臺用電設備的最大允許功耗為15.4W，以太網(wǎng)交換機可以對每臺設備的用電單獨進行管理。

IEEE802.3af PoE 規(guī)范最多允許在每臺用電設備處消耗大約 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的損耗。48V 電源實際上允許在用電設備端使用36～ 57V 之間的任意電壓。電壓要求大約為最大開關電壓的 2 倍(應對開關尖脈沖等的經(jīng)驗法則)，要求電源開關必須采用額定VDS為 100V的分立 MOSFET。

圖2 顯示了一個PoE控制器，通過分立 MOSFET控制四個端口。在該例中，使用的是飛利浦半導體公司的四個 PHT4NQ10T 器件。這種配置相當于每個以太網(wǎng)交換機或中繼采用 12 個 IC 和 48 個 MOSFET。到2007 年，用于“中繼”電源管理的 MOSFET的總有效市場容量 (TAM) 將達到 5700 萬美元（3 億 8 千 4 百萬只），而IC將達到 4800 萬美元（9600 萬片）。

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：

分別控制四個獨立的 PoE 端口；

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

當一個用電設備第一次連接到個端口時，控制浪涌電流和MOSFET功耗；

具備欠流斷開檢測功能以確定用電設備是否已斷開連接。

在正常工作情況下，當一個端口已經(jīng)供電并且用電設備的旁路電容已經(jīng)充電到端口電壓時，外部 MOSFET 的功耗非常低。這意味著較小的 MOSFET 就能完成這個功能。然而，IEEE802.3af 的其他要求，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，才采用了分立 MOSFET 而不是集成方案。

對以太網(wǎng)交換機中的 MOSFET 的進一步要求是其在關斷狀態(tài)下的漏電流要非常低。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 之外其他可能存在的保護電路的泄漏途徑。飛利浦半導體公司的 MOSFET 就是為滿足此項要求而設計的，其最大漏電流僅為 1 A。

電源管理器件在用電設備 (PD) 中的應用

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。當一個設備連接到一個 PoE 端口時，以太網(wǎng)交換機就執(zhí)行一個“發(fā)現(xiàn)”程序以確定該設備是否為可接受以太網(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)程序是因為高電壓 (48V) 連到許多傳統(tǒng)設備上會造成設備損毀。有鑒于此，當電壓與已有的傳統(tǒng)設備兼容時，就會執(zhí)行“發(fā)現(xiàn)”程序，只有在“發(fā)現(xiàn)”符合要求時才會提供高電壓直流電源。IEEE802.3af 的“發(fā)現(xiàn)”機制是基于特性阻抗的檢測來實現(xiàn)的。

通過確定從每個端口吸收的功率，供電設備 (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備總數(shù)。為了實現(xiàn)這種電源管理，IEEE802.3af 標準中加入了一種稱為“分類”的可選方法?！胺诸悺狈椒梢宰層秒娫O備向以太網(wǎng)交換機或“中繼”集線器報告其最大功率需求，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備電路主電路的“通斷開關”，基于一個 100V 的 N 溝道 MOSFET 構建。僅當額定 48V 電源位于可接受容限以內(nèi)時，接口控制器才會允許用電設備連接。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)交換機應用中的 100V MOSFET 相當。

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 就會開啟，電源就施加到隔離 DC-DC 轉換器。隔離 DC-DC 轉換器需能在用電設備前端和用電設備電路的其他部分之間提供 1500V 的隔離(這是一種安全特性)，并向用電設備電路的其他部分提供一個或多個低壓直流電壓，最大總功耗為 13W。該轉換器的輸入額定電壓為 48V，采用通用的前向和返弛拓撲結構。這是常用的 DC-DC 轉換器結構，與低功率電信電源極為相似。有多種控制器 IC 可以滿足這一需求。如飛利浦半導體公司 GREENCHIPTM 系列中的開關電源 (SMPS) 控制器 IC 芯片 TEA1502。

據(jù) VDC 預測，到 2007 年，高達 4.96 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，當使用率為 50% 時，用電設備的總有效市場容量將為 2.48 億。

小結

綜上所述，PoE 是一項將改變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。正是電源管理器件（既包括 IC 也包括 MOSFET）成就了這種改變。