以太網供電(PoE+)應用目前遵循IEEE標準802.3af，它即將在今年的第二季度被802.3at(PoE+)所替代，新的PoE+標準將可為用電設備(PD)提供大約2倍的功率。本文提出一個簡單的工作在PoE+功率級(30W)的PD電路，它借助了一個外部MOSFET和一個針對舊版802.3af標準設計的控制器。討論內容覆蓋了尚未正式公布的新的802at標準對PD的要求，以及將現(xiàn)有的802.3af控制器(MAX5941B)擴展用于PoE+ PD的好處。本文還包含了對3.3V輸出、30W用電設備的一些測試結果，如效率、輸出紋波、動態(tài)響應和輸入浪涌電流的限制。
迅速增長的PoE應用現(xiàn)在要求高出目前802.3af標準(12.95W)支持的功率級別。為了滿足這一要求，IEEE于2005年9月開始于制定一個新標準(802.3at)，它將通過以太網電纜提供的功率擴大到至少30W。不過，在等待802.3at標準被正式批準的同時，業(yè)界需要“準PoE+”電路來滿足當前應用的實際需求。
因此，本文提出了一個基于上面提及的PoE控制器(MAX5941B)的準PoE+ PD電源電路，如圖1所示。它能夠滿足許多PoE+應用對更高功率的要求，并保持了與802.3af標準的后向兼容性。通過簡單地增加一個外部MOSFET，你可以將PD接口的功率從802.3af標準的級別增加到802.3at PD的最大功率(70W)以上。下面將討論PoE+的要求、MAX5941B的性能特點以及如何為PD提供一個3.3V輸出的30W電源。
圖1：基于MAX5941B的準PoE+ PD電源電路可在3.3V輸出電壓下提供30W功率。
PoE+的要求
IEEE 802.3at標準建議的一些目標如下：
1. 802.3at應當遵循802.3af標準中有關的電源安全性規(guī)則和限制。
2. 802.3at PSE必須后向兼容802.3af，它應當能夠為802.3af和802.3at PD供電。
3. 802.3at PSE能夠為PD提供實際允許的最大功率(最少30W)。
4. 當連接到一個早期的802.3af PSE時，802.3at PD能夠向用戶指出需要一個802.3at PSE。
802.3at PD必須能夠被802.3at PSE識別出來、檢測出來和供電，還應當能為其下游負載提供足夠的功率。為了適應新的802.3at功率要求，目前的PD控制器面臨以下問題和設計挑戰(zhàn)：
1. Class 4 PD分級。
2. 這些控制器的內部PD接口隔離開關不能處理高出設計最大值12.95W的功率級別。
3. 許多目前PD控制器設定的電流限制低于802.3at要求的功率級別。
幸運的是，MAX5941B控制器只需對外部元件做很少的改動就能夠為“準PoE+ ”PD提供高達70W的功率。為了滿足PoE系統(tǒng)中的PD供電需求，它集成了一個完整的帶PD接口的802.3af電源IC，和適用于隔離或非隔離電源設計中的反激或正激轉換器的緊湊DC/DC PWM控制器。
MAX5941B控制器可滿足以下PoE+要求:
1. Class4 PD分級：該控制器已經包含了針對Class4 PD分級的規(guī)定，你僅需要改變外部分級設置電阻值。
2. PD接口隔離開關的額定功率：所有現(xiàn)有的PD控制器都包含一個MOSFET，它用于在檢測和分級的啟動協(xié)議期間隔離PD。由于這個MOSFET設計針對802.3af規(guī)定的功率級(高達12.95W)，因此低于802.3at應用的功率等級。
MAX5941B內部的MOSFET柵極輸入連接到引腳7，因此你可以簡單地通過在該引腳上連接一個外部MOSFET來提高PD接口開關的額定功率。新的額定功率可以從12.95W擴展到70W或以上，具體取決于你選擇的外部MOSFET的尺寸。外部MOSFET的導通電阻必須保證流經內部開關的電流在其安全工作范圍內。
3. 改變電流限制：很多現(xiàn)有的PD控制器提供兩個限流級別。第一級設置為低于400mA，用于限制上電時PD的輸入浪涌電流;第二級設置為高于400mA。不僅802.3af標準不需要第二級限流，而且PoE+應用實際上也禁止使用這些PD控制器。
MAX5941B控制器允許用戶對輸入浪涌電流進行編程，但卻不需要加入第二級限流。由于用戶可以選擇低于400mA的輸入浪涌電流限制，從而使該控制器可馬上適用于PoE+應用。輸入浪涌過程結束后，PD馬上就可以進行更高功率的PoE+操作，無需更換IC或外部電路。
在PoE+系統(tǒng)中，限制功率傳輸的瓶頸是電纜的電流承載能力。在相關的標準如TR42.7中，為了確定在不同復雜限制條件下電纜的電流承載能力，必須對PoE+電纜進行大量的測試。目前，TR42.7推薦在45oC最大環(huán)境溫度下，5e類、6類和6A類電纜每線對能夠承載的最大電流是720mA(每根導線360mA)。超過45oC，受I2函數的影響，在60oC時你可將電流值降到0mA，其中I是流經電纜的電流。因此，對于兩線對的PoE+系統(tǒng)，所允許的PD最大功率約為30W。據此，我們?yōu)闇蔖oE+ PD設計了一個30W的供電電路。
PD接口
30W PD供電電路的原理圖如圖2所示。N10是增加的外部MOSFET，用于增強PD接口隔離開關，以達到PoE+的功率等級。R8(178Ω)是用來設置Class4功率等級的RCL。這個30W的PD能夠從準802.3at PSE接收功率。兩對UTP線纜連接到Fast-Jack連接器J1，它集成了10/100BASE-TX VoIP磁性模塊。兩個二極管橋功率整流器(D4，D5)用于分離PSE送出的-48V直流電源。
圖2：30W PD供電電路的原理圖。
隔離開關(由MAX5941B內部功率MOSFET和外部MOSFET N10組成)限制啟動時的輸入浪涌電流。MAX5941B通過一個典型10μA的恒流源給MOSFET的柵極充電。MOSFET漏極至柵極之間的電容通過限制漏極電壓的上升速度限制輸入浪涌電流?？梢酝ㄟ^在柵極和輸出之間外加一個電容進一步減小輸入浪涌電流。以下公式用于計算輸入浪涌電流：
IINRUSH=IG×COUT/CGATE
PoE+應用的輸入浪涌電流限制在400mA以內。圖3波形(從圖2電路中測得)顯示當輸入電壓大約為39V時，輸入浪涌電流低于108mA，39V是缺省的欠壓鎖定電平(UVLO)。當負載電流為7A時，流經隔離開關的總平均電流是680mA。
圖3：準PoE+ PD輸入浪涌電流的限制。[!--empirenews.page--]
3.3V、30W DC/DC轉換器
30W PD的DC/DC轉換器如圖4所示，用于PoE的電源轉換有兩種主要架構：反激和正激轉換器。反激轉換器需要的器件數最少、成本最低，但峰值電流較高，因此需要更大的輸出電容和/或兩級濾波器，以減小輸出電壓紋波。
圖4：30W PD的DC/DC轉換電路原理圖。
對于單輸出、大電流轉換器，推薦使用具有同步整流的單端正激變換器，這種架構非常適合PoE應用，具有高效、低EMI、成本低等優(yōu)勢，本設計選擇了這種架構。由于同步整流正激變換器的原理在MAX5941B*估板的數據手冊中進行了詳細描述，這里不再贅述。
測試結果
為了*估DC/DC轉換器性能，我們進行了大量測試，圖5給出了電源電壓為48V時測得的效率與輸出電流的對應關系曲線，這里沒有考慮兩個二極管橋整流器(D4，D5)的功耗(如果考慮這些因素，效率下降約5%)
圖5：準PoE+ PD效率與輸出電流的關系。
圖4所示PD電源的輸出紋波(圖6)是在最差工作條件下測試的：57V輸入電壓、9A負載。所得結果(大約50mV)基本符合PoE+應用的要求，例如802.11n接入點、大功率VoIP視頻電話以及監(jiān)控攝像頭等。增加一個低ESR陶瓷電容有助于得到更低的輸出紋波，轉換器的波特圖(圖7)顯示相位裕度為45o，增益裕度為10dB，具有較好的響應能力。
圖6：準PoE+ PD的輸出紋波。
對于一些特定應用，你只需用PD接口的前級(圖2)配合用戶已有的DC/DC轉換器工作即可。針對這種要求，你可以選擇Maxim的PD控制器系列(MAX5940B)產品，配合外部MOSFET和MAX15000 DC/DC控制器使用。
圖7：最大輸入電壓和輸出電流下DC/DC轉換器的波特圖。
本文小結
在IEEE 802.3at標準發(fā)布之前，本文提供的PD電路(圖2)是解決PoE+應用供電問題的一個快速、低成本和靈活的方案。它滿足該標準的電流要求(草案0.9版)，并保持了與當前IEEE 802.3af標準的后向兼容性。采用同步整流正激DC/DC轉換器可以獲得高效、低EMI以及低成本的設計。如果連接PSE和PD的電纜能夠承載足夠的電流，電路中的MAX5941B控制器能夠輕松升級PD設計，輸出功率可以達到甚至超過70W。
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