电源管理芯片在以太网供电中的应用

以太网供电(PoE)为数据终端、无线接入点、网络摄像头或网络电话之类连接到以太网端口的设备提供一种有效的电源解决方案。在以太网供电应用中，电源管理器件在以太网交换机和PoE“中跨”集线器中以及用电设备的DC-DC电源中用来转换电压和电流。本文作者介绍了如何用电源管理器件在网络交换机、用电设备中实现高性能供电。

：向后兼容以太网交换
机的"中跨"式集线器。
以太网指的是IEEE802.3标准所涵盖的各种局域网系统，这一术语还用来指用于如由高速数据线缆网络系统连接的中央文件服务器和多台PC机的协议。任何像数据终端、无线接入点、网络摄像头或网络电话之类连接到以太网端口的设备都需要用电池或独立的交流电源为其供电，如果在传输数据的同时为连接到网络上的设备提供电源将非常好，而如果这种供电方式能利用现有的以太网电缆来传送，这样就将具备100%的向后兼容能力，那就再好不过了。这正是IEEE802.3af标准定义的PoE标准所提供的，该标准的优点在于：
由于每一个设备仅需要一套线缆，简化了连接各个设备的布线，并降低了布线成本；
省去交流电源线以及交流适配器，使得工作环境更加安全、整洁并且开销更低；
可以很容易地将设备从一处搬移到另一处；
当交流主电源发生故障时，可以用不间断电源向设备继续供电；
连接到以太网的设备可以被远程监控。
正是这些优点使得PoE成为一项从本质上改变了低功耗设备供电方式的全新技术。能通过PoE技术供电的设备不胜枚举，可以在www.poweroverethernet.com网站上查看其具体的门类与品种。但是，当下推动PoE总有效市场增长(TAM, Total Available Market)的主力是两类用电设备：WLAN接入点和VoIP电话。到2007年，前者的年复合增长率(CAGR)将为38%，达到1,500万台(数据)。同时间，支持后者的企业网络预期将达到300万单位。而这些用电设备的需求反过来也推动着现有的以太网交换机升级，从而具备支持PoE的能力。这可以通过使用下图中所示的“中跨”方案解决。据预测，这些设备的增长到2007年可以达到800万台，达到68%的增长。
在这些例子中，通过在网络中加入将电源注入双绞线LAN电缆的“中跨”(midspan)PoE集线器使原先的以太网交换机具备PoE功能。新的以太网交换机将会包括这里提到的“中跨”集线器的功能，向通过高速数据电缆与其连接着的用电设备(PD)供电。这些用电设备可以是网络摄像头、VoIP电话、WLAN接入点以及其它电器。如果主电源发生故障，UPS将提供备用电源。
电源管理器件在以太网交换机中的应用
的以太网交换机能够通过其24或48个独立的端口向用电设备提供PoE连接，并且还具有与非PoE系统“向后兼容”的能力。每台用电设备都使用其自身的48V输入电源供电，每台设备允许功耗为15.4W，以太网交换机可以对每台设备的供电功率单独进行管理。
IEEE802.3af PoE标准多允许在每台用电设备消耗大约13W的功率，而以太网交换机提供的15.4W的功率是为了弥补长电缆带来的一定程度损耗。在用电设备端，48V电源的实际电压值可以在36-57V范围内。高达开关电压两倍左右(根据经验允许开关尖峰等)的电压要求必须采用额定VDS为100V的分立MOSFET。

：热插拔控制器。
给出了一个PoE控制器，使用分立的MOSFET控制四个端口。在这个例子中，使用的是飞利浦半导体的PHT4NQ10T。按照这种配置，每台以太网交换机或“中跨”集线器要使用12片IC和48个MOSFET。到2007年，用于这些应用的MOSFET的总有效市场容量将达到5,700万美元(3亿8千4百万只)，而IC则为4,800万美元(9,600万片)。
PoE控制器通常指的是“热插拔”(Hot Swap)控制器，这些IC的功能包括：
分别控制四个独立的PoE端口；
检测有效的用电设备的连接状况；
(使用低阻值的检测电阻)监控MOSFET的稳态电流；
当用电设备刚刚连接到一个端口时，控制浪涌电流以及MOSFET的功耗；
具备低电流断开检测功能以确定用电设备是否断开连接。
在正常工作下，当一个端口已经供电并且用电设备的旁路电容已经充电到端口电压，外部MOSFET的功耗非常低。这意味着较小的MOSFET就能用来完成这个功能。然而，IEEE802.3af的其它要求，例如加电时的浪涌电流以及不兼容的用电设备连接到端口的风险，要求MOSFET能承受很大的瞬态功耗。正是基于这些原因，才选用了分立MOSFET而不是集成方案。
对于用在以太网交换机中的MOSFET的更进一步的要求是在关断状态下的漏电流非常低。IEEE802.3af要求每端口漏电流不得高于12(A，而且这个要求还包括了除MOSFET之外其它可能存在的保护电路的泄漏途径。飞利浦半导体的MOSFET就是被设计成为符合此项要求的，其漏电流仅为1(A。
电源管理器件在用电设备中的使用
用电设备的框图如所示。来自以太网电缆的直流电源通过二极管桥式整流器恢复，因此消除了用电设备电路电压极性加反的可能性。当一个设备接入到一个PoE端口时，以太网交换机就执行一个“发现”程序以确定这是一台被设计用来接受以太网供电的设备，还是不支持PoE的老式设备。
当用电设备断开时，也会执行“发现”程序。之所以需要这个发现程序的原因是将高电压(48V)连到许多过去的设备上时会造成设备损毁。
有鉴于此，电压与已有的传统设备兼容时，“发现”才会发生，只有在“发现”成功后才能提供高电压直流电源。IEEE802.3af的“发现”机制基于特征阻抗检测来实现的。
通过确定从每个端口吸取的功率，供电设备(PSE) 能借助系统电源管理协议，同时根据系统供电的输出能力决定其所能支持的用电设备总数。为了实现这种电源管理，要在IEEE802.3af标准加入一种称为“分类”的可选方法。“分类”方法可以让用电设备向以太网交换机或“中跨”集线器其功率需求，因此电源管理协议能将未用的功率分配给其他端口，从而充分利用电源容量。

：用电设备框图。
接口控制器的功能是作为用电设备电路主电路的“通断开关”，是基于一个100V的N沟道MOSFET。仅当输入的48V电源在容许范围内时，接口控制器才允许将用电设备接入电路。此外，接口控制器通常还提供浪涌电流限制和故障电流限制功能。MOSFET的浪涌性能要与上述以太网交换机应用中的100V MOSFET相当。
一旦“发现”过程完成，且接口控制器确定电源电压在容许范围内时，接口控制器的MOSFET会开启，电源就施加到隔离DC-DC转换器。隔离DC-DC转换器要能在用电设备前端和PD电路的其他部分间提供1,500V的隔离(这是一个安全特性)，向这些电路的输入端提供一个或多个较低的直流电压，其总的功耗为13W。转换器的输入额定电压通常为48V，采用通用的前向式和回扫拓扑结构。这是常用的DC-DC转换器结构，它与低功率电信电源极为相似，现有的多个控制器IC可以满足这一要求，如飞利浦半导体GREENCHIP系列中的 开关电源控制器IC-TEA1502。
本文小结
据VDC预测，到2007年，高达49.6亿个端口将采用电源管理芯片。由于并不是所有的端口都会被利用到，假定其中的一半会投入使用，也就是说用电设备的总有效市场为24.8亿。
综上所述，PoE是一项改变网络设备供电方式的全新技术。假以时日，PoE将成为很多设备所采用的普及技术。而且，正是电源管理器件(既包括IC也包括MOSFET)成就了这种改变。
作者：Ian Moulding
行销经理
Christopher Hill
应用工程师
飞利浦半导体公司电源管理业务线