IEEE802.3af標準的制定推動了以太網(wǎng)" target="_blank">以太網(wǎng)供電技術的使用,，而TI公司推出的兼容標準的高功率供電管理芯片TPS23841和TPS2376H,，很好地解決了25W以內(nèi)網(wǎng)絡設備的接入問題。本文基于以上兩種芯片設計出兼容標準的高功率以太網(wǎng)供電系統(tǒng),。
1 IEEE802.3af標準簡介
IEEE802.3af標準定義了一種允許通過以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時輸送48 V直流電源的方法,它將以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet,，PoE）技術引入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施中，最大傳輸距離為100m,。PoE由供電設備PSE和受電設備PD組成,。PSE分為端接式和中跨式兩種類型，主要實現(xiàn)對PD的檢測,、功率分級（可選）,、供電和斷電等功能；PD主要作為標準識別設備,，返回各種符合標準的信號以及持續(xù)工作信號,，從而完成整個供電過程。
2 PSE系統(tǒng)結(jié)構組成
PSE主要實現(xiàn)上述電源管理功能,，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構成,。PSE系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示,16位單片機MSP430F147通過模擬I2C總線對TPS23841內(nèi)部寄存器進行讀/寫，來實現(xiàn)電源管理功能,；通過P4.0設置TPS23841的工作模式,；通過P2.7獲得出錯信號，從而通過P4.2對TPS23841產(chǎn)生有效的復位信號,。系統(tǒng)中對必要的信號及電源進行了隔離,，MSP430F147通過UART接口經(jīng)MAX13085轉(zhuǎn)換為RS485電平后與供電監(jiān)控PC機通信，當沒有與PC機連接時系統(tǒng)會自主運行,。
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圖1 PSE系統(tǒng)結(jié)構圖 |
TPS23841的工作電壓范圍為21.5~57V,比IEEE802.3af標準定義的電壓范圍大得多,。也就是說，TPS23841可以提供上述電壓范圍的供電,，這使得以太網(wǎng)供電技術可以應用在醫(yī)療,、工業(yè)等24V的供電系統(tǒng)中。同時,，可以通過提高輸入電壓的方法將傳輸功率提高到25W,，供電可以通過1/2、3/6或者4/5,、7/8號線對傳輸?shù)竭h端PD,。在特殊情況下也可以通過4個線對同時傳輸供電,，這樣可以獲得更高的傳輸功率。交流斷路檢測電路用來產(chǎn)生交流斷路檢測信號,，地址設置電路用來設置TPS23841的I2C設備地址,，通過設置不同的地址可以接入多個TPS23841，從而達到擴展供電端口的目的,。MSP430F147通過內(nèi)部集成的溫度傳感器實時監(jiān)控系統(tǒng)工作溫度,，當過熱時啟動風扇散熱。
3 PSE的硬件設計
PSE的供電管理功能主要由TPS23841實現(xiàn),。TPS23841運行時內(nèi)部工作所需的10 V,、6.3 V和3.3V由外部供電產(chǎn)生,，每個供電端口可以提供高達570 mA的電流,，而對每個PD可以提供最高25W的功率。TPS23841內(nèi)部集成了4個獨立的15位A/D轉(zhuǎn)換器,，用來測量每個口的電阻,、電壓、電流,可以更加精確地實現(xiàn)供電管理功能,。如圖2所示,，PSE的硬件電路主要由TPS23841及其外圍電路組成。在4個供電回路中加入自恢復保險絲來實現(xiàn)過流保護的功能,，通過加入瞬間電壓抑制器實現(xiàn)過壓保護的功能,，由50、51腳引出的電路產(chǎn)生交流斷路檢測信號,，在各供電端口加入了顯示電路,。I2C的5位地址由外部撥碼開關S1設置，三線I2C總線經(jīng)過光耦隔離后連接成為標準的兩線I2C總線,。在PSE系統(tǒng)中,，通過對MSP430F147編程來實現(xiàn)電源的高級管理功能。
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圖2 PSE硬件原理圖 |
4 PSE的軟件設計
TPS23841內(nèi)部集成了標準的I2C模塊,，MSP430F147通過I2C通信實現(xiàn)高級電源管理功能,。TPS23841具有3種工作模式，分別為自動模式（AM）,、半自動模式（SAM）和供電管理模式（PMM）,。AM模式下，TPS23841不需要微控制器控制,，自動實現(xiàn)對PD的檢測,、分級和供電等功能，此模式下采用DC斷路檢測法檢測PD是否斷開,；在SAM模式下,，TPS23841運行在AM模式下,，但可以通過I2C總線來讀取所有狀態(tài)寄存器和A/D寄存器的內(nèi)容，并且可以不需要微控制器參與而自動完成對PD的檢測,；在PMM模式下,，可以執(zhí)行AC斷路檢測，并且可以獲得每個PD的電壓與電流參數(shù),，供電管理更加靈活,。當TPS23841工作在SAM和PMM模式時需要微控制器MSP430F147來完成整個供電管理過程。PSE的運行控制過程如圖3所示,?？刂瞥绦蛑饕獙崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化、控制TPS23841,、與PC通信,，以及對數(shù)據(jù)進行封裝與解析等功能。當沒有與PC機連接時,，設置TPS23841工作在AM模式下,，TPS23841將自主運行；當與PC機連接時,，系統(tǒng)將按照用戶的要求將TPS23841設置為相應的工作模式,，在SAM和PMM模式下，能夠采集到各個端口的運行參數(shù),，在PMM模式下可以對各個端口的供電進行控制,。系統(tǒng)最后將采集到的數(shù)據(jù)封裝后通過RS485發(fā)送到PC機。
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圖3 PSE運行控制流程 |
5 PD的設計與實現(xiàn)
TPS2376H是TI公司推出的兼容標準的高功率PD控制器,，PD的設計原理如圖4所示,，整流橋做極性保護用，瞬間電壓抑制器D1用來消除過壓造成的損害,。當作為標準PD設計時,，TPS2376H的外部檢測電阻、分級電阻按照標準定義的參數(shù)進行設置,。當作為高功率PD設計時,，PSE需要提供52~57V的供電電壓，TPS2376H的分級電阻需要設置為標準定義的備用級別4級,。此時PD可以接收TPS23841傳送的最高25W的功率,，高功率傳輸可以通過提高傳輸電壓來獲得，同時也可以通過以太網(wǎng)線的4個線對供電,，這樣傳輸?shù)墓β适莾删€對傳輸功率的2倍,。兩種方式有各自的優(yōu)點。兩線對供電用在IEEE802.3af系統(tǒng)中，一線對用來傳輸電流,，另一線對用來作為回路,，其余兩個線對不傳輸供電，是一種最簡單的實現(xiàn)方法,，但是對于不供電的兩個線對卻不能很好的利用,，這是一種損失。四線對供電降低了電纜的阻抗,，但卻增加了線對的電流平衡問題,，不同的隔離變壓器阻抗、電纜,、連接器和PD方的整流橋都會導致供電線對的電流不平衡,，PD端可以通過2個獨立的DC/DC轉(zhuǎn)換器來解決這個問題，在24V的供電系統(tǒng)中為了防止誤分級PSE應選擇不分級操作,。PD后端采用LT1074HVIT將電壓轉(zhuǎn)換為設備工作需要的5 V或3.3V電壓,，LT1074HVIT的輸入電壓為10~60 V，輸出電流最大為5A,，輸出電壓可以根據(jù)Vout=2.21×(1+R1/R2)來進行設置,。
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圖4 PD設計原理圖 |
6 PoE在RFID系統(tǒng)中的應用
在RFID應用系統(tǒng)設計時，讀寫器的供電問題是必須要考慮的,，對基于以太網(wǎng)通信的讀寫器來說，采用以太網(wǎng)供電技術將大大降低讀寫器的成本,。在實際應用中將PSE系統(tǒng)和交換機集成在一起設計出了端接式PSE（即PoESwitch）,，使得應用更加靈活方便。典型應用如圖5所示,。
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圖5 PoESwitch在RFID系統(tǒng)中的應用 |
當PoESwitch偵測到讀寫器,、無線接入點為合法的PD后，將執(zhí)行可選的分級操作,，之后將向它們供電,，同時由監(jiān)控PC上的PSE終端監(jiān)控軟件完成對各個供電端口的監(jiān)控。
結(jié)語
本設計采用MSP430F147單片機和以太網(wǎng)供電管理器TPS23841,、TPS2376H開發(fā)了兼容IEEE802.3af標準的高功率PoE系統(tǒng),。此系統(tǒng)也可應用在醫(yī)療、工業(yè)等21.5～57V,、最高功率為25 W的供電環(huán)境中,，具有良好的兼容性。