IEEE 802.3at 規(guī)范定義的以太網(wǎng)供電(PoE) 是通過一條CAT-5 以太網(wǎng)電纜安全地傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)和電源的方法,。由于它支持靈活地在任何地方安裝設(shè)備,，沒有在附近提供交流電源的限制，也不需要電工進(jìn)行安裝，因此，它得到了廣泛應(yīng)用。最初的IEEE 802.3af PoE 規(guī)范限制了供電至受電設(shè)備(PD) 的功率只有13W,，這也就限制了設(shè)備的應(yīng)用范圍，例如IP 電話和基本安防攝像機(jī)等,。在2009 年,，IEEE 802.3at 規(guī)范將支持的功率增大到25.5W。但是,，這還是無法滿足功率要求越來越高的PoE 應(yīng)用需求,，例如，微微蜂窩基站,、無線接入點,、LED 標(biāo)牌和加熱云臺變焦(PTZ) 室外攝像機(jī)等。在2011 年,，凌力爾特公司發(fā)布了新的專有標(biāo)準(zhǔn)LTPoE++™,，將PoE 和PoE+ 規(guī)范擴(kuò)展到90W 供電，同時還維持與IEEE PoE 標(biāo)準(zhǔn)100% 的兼容,。它支持四種不同的功率等級(38.7W,、52.7W、70W,、90W),，可以根據(jù)應(yīng)用要求來調(diào)整電源供電。
LTPoE++ 供電設(shè)備(PSE) 采用了更智能的PSE隔離體系結(jié)構(gòu),，以減少元器件數(shù)量,，盡量少使用昂貴的外部元器件,。全面的電纜放電保護(hù)和80V 絕對最大值的引腳保證了現(xiàn)場工作的高可靠性。采用外部FET 使散熱性能可滿足應(yīng)用需求,，提高了系統(tǒng)效率，增強(qiáng)了長期可靠性,。LTPoE++ 體系結(jié)構(gòu)只需要一個PSE 和PD 控制器,，就能夠通過4 對100m CAT-5e 電纜提供90W 的功率。
系統(tǒng)隔離要求
要實現(xiàn)以太網(wǎng)供電,，需要仔細(xì)的選擇體系結(jié)構(gòu)和元器件,，以降低系統(tǒng)成本，同時提高性能和可靠性,。一個成功的設(shè)計必須滿足IEEE隔離要求,，在短路和過流事件時保護(hù)Hot Swap™ FET，或者符合IEEE 規(guī)范,。PoE 規(guī)范清楚地闡述了隔離要求,，在PD 應(yīng)用電路中，確保斷開接地環(huán)路,，維持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)完整性并降低噪聲,。
傳統(tǒng)的PSE 隔離體系結(jié)構(gòu)在主機(jī)至PSE 控制器接口處隔離數(shù)字接口和電源。光耦合器等數(shù)字隔離單元本質(zhì)上非常昂貴而且不可靠,。能夠?qū)崿F(xiàn)隔離功能的IC成本非常高,，不支持I2C 高速傳送。而且,，對PSE 邏輯供電的隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器增大了電路板面積和系統(tǒng)成本,。
輕松實現(xiàn)隔離
凌力爾特公司的12 端口(LTC4270 / LTC4271) 和8 端口PSE (LTC4290 / LTC4271) 芯片組采用了不同的PSE 隔離方法，將所有的數(shù)字功能遷移到隔離邊界的主機(jī)側(cè)(圖1),。這極大的降低了所需元器件的成本和復(fù)雜性,。不再需要單獨的隔離DC/DC 電源；LTC4271數(shù)字控制器可以使用主機(jī)的邏輯電源,。LTC4271 使用變壓器隔離通信方法控制LTC4290 或LTC4270,。低成本和廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)變壓器對可替代6 個光耦合器。在協(xié)議中編程實現(xiàn)含有端口管理,、復(fù)位和快速端口關(guān)斷功能的I2C通信機(jī)制,，從而降低了輻射能量，提供1500V 的隔離,。
圖1: LTC4290 / LTC4271芯片組實現(xiàn)了隔離功能,，不需要任何光隔離器以及專用隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器
可靠的電纜放電保護(hù)功能
考慮PoE 設(shè)計的可靠性非常重要，特別是處理大量的電纜,、高電壓,、大電流或者高溫的情況。凌力爾特公司在這方面經(jīng)驗豐富，設(shè)計了低成本,、大吞吐量的電路保護(hù)方案,，能夠靈活的調(diào)整滿足IEC61000電纜放電電壓要求。只需要一個TVS 來保護(hù)高電壓模擬電源,，而在每一個輸出端口上采用一對低成本箝位二極管(圖2),。端口上的二極管引導(dǎo)有害的浪涌進(jìn)入電源軌中，它們被浪涌抑制器以及VEE旁路電容吸收掉,。浪涌抑制器還有保護(hù)PSE 控制器不受VEE 供電瞬變影響的優(yōu)點,。凌力爾特的PSE 控制器在所有模擬引腳上還有80V 絕對最大額定限制，實現(xiàn)了對瞬變的保護(hù),。
圖2: 可靠的電纜放電保護(hù)
降低功耗
凌力爾特的第四代PSE和PD控制器與IEEE 802.3at 規(guī)范完全兼容,，而且LTPoE++ 功率達(dá)到了90W，同時通過使用低RDS(ON) 外部MOSFET 和0.25? 檢測電阻減小了熱耗散,。這對于大功率系統(tǒng)非常重要,，在這些系統(tǒng)中散熱設(shè)計和功率損耗的成本非常高，對于功率受限的應(yīng)用也非常重要,，這些應(yīng)用要求在功率預(yù)算內(nèi)盡可能提高工作功率,。集成了MOSFET 的PSE 和PD 控制器具有較高的RDS(ON) 參數(shù)，由于在器件內(nèi)部散熱,，因此,，很難進(jìn)行散熱設(shè)計。對一個端口的損害會導(dǎo)致整個芯片受損,。
LT4275(圖3) 是市場上唯一能夠控制外部MOSFET 的PD 控制器,，極大的降低了PD 總熱耗，提高了功效,，這對于較大功率應(yīng)用非常重要,。這一創(chuàng)新的方法支持用戶調(diào)整MOSFET 以滿足應(yīng)用的散熱和效率要求，支持使用30m? 量級的低RDS(ON) MOSFET,。LT4275 能夠支持高達(dá)90W 的功率,。
一個TVS 和100V 絕對最大端口引腳足以保護(hù)電纜放電事件。LT4275 工作在較寬的-40°C 至125°C 溫度范圍,，具有過溫保護(hù)功能,，在瞬時過載時保護(hù)器件。采用這一更強(qiáng)大的保護(hù)功能,，很容易就可體驗可靠的應(yīng)用,。
圖3: LTPoE++ PD 控制器使用外部MOSFET以提高了功效
LTPoE++是怎樣工作的
LTPoE++ 使用了3 事件分級機(jī)制，在PSE 和PD 之間提供互識別信號,，同時維持了與IEEE 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容,。通過PD 對3 事件分級機(jī)制的響應(yīng),，LTPoE++ PSE 確定PD 是1 類(PoE)、2 類(PoE+),，還是LTPoE++ 器件,。LTPoE++ PSE 使用3 事件分級機(jī)制導(dǎo)致ICUT 和ILIM 門限更新。PSE 使用ICUT 門限監(jiān)控PD 電流消耗,。在嚴(yán)重的電流故障時,，ILIM 用作硬電流限制，以保護(hù)PSE 電源供電,。
在另一端，LTPoE++ PD 使用它收到的分級事件號,，確定連接1 類,、2 類，還是LTPoE++ PSE,。如果LTPoE++ PSE 測量到PD 的第一個分級事件電流是0 級,、1 級、2 級,，或者3 級,，LTPoE++ PSE 把端口作為1 類器件進(jìn)行供電。否則,，如果在第一個分級事件中,，識別到4 級，LTPoE++ PSE 會繼續(xù)PoE+ 規(guī)范定義的第二個分級事件,。這告訴PD,，它連接至2 類或LTPoE++ PSE。沒有第二個分級事件表明了PD 連接至1 類PSE,，這限制為1 類供電,。
2 類PD 物理層分級由IEEE 定義為兩個連續(xù)4 級結(jié)果。一個LTPoE++ PD 必須在第一和第二個分級事件中顯示兩個連續(xù)4 級結(jié)果,，使得LTPoE++ PD 呈現(xiàn)為2 類PD 至2 類PSE,。
在第一和第二個分級事件中，在有效的4 級測量后,，LTPoE++ PSE 會遷移到第三個分級事件上,。兩次成功的4 級測量后，進(jìn)行第三次分級事件,。第三次分級事件必須轉(zhuǎn)換到不同于4 級的其他級別,，把PD 識別為支持LTPoE++。在第三個分級事件過程中,，LTPoE++ PSE 認(rèn)為維持4 級的PD 是2 類PD,。對于所有分級事件,，IEEE 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)要求兼容2 類PD 重復(fù)4 級響應(yīng)。第三個分級事件告訴LTPoE++ PD,，它連接至LTPoE++ PSE,。表1 顯示了各種PD 功率的分級事件組合。
LTPoE++即插即用解決方案
LTPoE++ 提供安全和可靠的即插即用解決方案,，極大的降低了PSE和PD 的工程復(fù)雜性,。LTPoE++ 相對于其他電源擴(kuò)展拓?fù)涞膬?yōu)點在于只需要一個PSE 和PD 便能夠在一條CAT-5e 電纜上提供90W 功率，大幅度節(jié)省了空間,，降低了成本,，縮短了開發(fā)時間。LTPoE++ 解決方案減少了材料和相關(guān)的元器件成本,，還提供目前功效最高的端到端解決方案,，顯著降低了總體擁有成本，增大了對實際應(yīng)用的供電,，同時降低了熱耗,，不需要高成本的散熱器設(shè)計。
LTPoE++ 最突出的一點是,，對于軟件級功率協(xié)商,，它不需要使用IEEE PoE+ 規(guī)范制定的鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)。LLDP 要求擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)堆棧,，需要很大的軟件開發(fā)投入,。LTPoE++ PSE 和PD 自主地協(xié)商功率要求以及硬件級能力，同時保持了與基于LLDP 解決方案的完全兼容,。這樣,，LTPoE++ 系統(tǒng)設(shè)計人員能夠選擇是否實現(xiàn)LLDP。專用端到端系統(tǒng)可能會選擇放棄LLDP 支持,。這帶來了產(chǎn)品及時面市優(yōu)勢,，而且還降低了BOM 成本，減小了電路板面積和復(fù)雜性,。
第四代的高級特性
凌力爾特的以太網(wǎng)供電PSE 控制器系列在PoE 經(jīng)驗上非常成熟和專業(yè),，已受供貨的2 億多端口支持。新的第四代特性包括支持設(shè)計未來不會過時的現(xiàn)場更新固件,?？蛇x1 秒電流平均是另一新特性，簡化了主機(jī)電源管理功能,。高級電源管理特性包括優(yōu)先級快速關(guān)斷,、12 位每端口電壓和電流回讀、8 位可設(shè)置電流限制,、以及7 位可設(shè)置過載電流門限等,。一個1MHz I2C 接口支持主機(jī)控制器對IC 進(jìn)行數(shù)字配置,，或者進(jìn)行隊列端口讀取操作。提供“C” 庫,，以降低工程成本,，使產(chǎn)品盡快上市。
結(jié)論
凌力爾特提供業(yè)界功耗最低的單端口,、4 端口,、8 端口和12 端口PSE 控制器，還提供堅固的ESD 和電纜放電保護(hù)功能,，減少了元器件數(shù)量,，實現(xiàn)了高性價比設(shè)計。與LT4275 PD 控制器相結(jié)合,，一個完整的即插即用LTPoE++ 系統(tǒng)能夠提供90W 功率,，同時保持了與PoE+ 和PoE 標(biāo)準(zhǔn)的完全兼容。整個解決方案使用了外部低RDS(ON) MOSFET,，以極大地降低PD 總熱耗散，提高了功效,，這對于所有功率級都非常關(guān)鍵,。所有模擬引腳的高值絕對最大額定電壓和高性價比電纜放電保護(hù)功能確保了器件受到很好的保護(hù),，不受最常見以太網(wǎng)電壓浪涌的損害,。LTPoE++ 系統(tǒng)簡化了功率輸送，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員將設(shè)計精力集中在高價值應(yīng)用中,。