如何避免以太網供電方式的缺陷

2019-11-03 10:02:34

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供稿：網友

設計工程師 Jacob Herbold

　　引言

　　用于以太網供電的IEEE 802.3af標準為以太網拓展了一個新的領域。802.3標準的大多數增補均以改善以太網的數據傳輸能力為著眼點。以太網供電（即PoE）并未提高以太網的數據傳輸能力，但它實現了DC功率與10/100/100Mbps數據的傳輸。對于那些擁有以太網設備設計經驗的工程師們來說，PoE所帶來的一組獨特的問題和嶄新的思維方式或許是他們所不熟悉的。

　　本文將重點介紹PoE所固有的諸多難題，并引導讀者對802.3af標準中的某些缺陷、弱點和空白點有一個大致的了解。簡要地說，PoE鏈路允許一個受電設備（PD）從供電設備（PSE）吸取高達12.95W的功率。PoE鏈路或端口受控于PSE，PSE通過在對端口實施供電和監視之前進行檢測和分級來識別PD（ICUT、ILIM和斷接）。PoE的許多負擔都是由PSE來承載的。它必須完美無缺地完成檢測和斷接，否則老式設備就將受損。如果PSE未能適當地完成分級、功率輸送和監視，則會導致間歇故障和不穩定現象的發生。PSE并不能控制一切；當其施加電源時，它便只能依靠PD來遵循標準的要求，在不引發振蕩的情況下接通以及不吸取超出需要的功率。由于這兩種類型的設備必須相互合作，因此PD和PSE的設計師都應當同時從兩種設備的角度來考慮以下問題。即使在可以采用PoE專用集成電路的情況下，系統設計師也不能忽視這些問題。PD和PSE接口控制器IC并非天生就是一樣的，即使是最佳的芯片也無法解決電路板級和系統級問題。

　　布線基礎知識

　　在研究PoE協議的復雜性以及有可能招至麻煩的細微區別之前，需要避免犯以下這樣一些簡單的錯誤。

　　在PSE和PD上均必須對共模終端進行AC耦合，否則它將干擾PoE檢測。終端可以采用額定電壓為200V的0.1 F電容器，但是，該網絡開始生效的 3dB點靠近20KHz（而不是1KHz）。

　　憑借PoE，那些曾經只能傳輸數據和幾毫安電流的導線和電路板走線現在可以傳輸高達450mA電流的功率，應考慮將組件彼此較為靠近地放置，并使用較寬的走線。有些以太網磁性組件有可能與PoE不兼容（即使它們引出了中心抽頭亦是如此），這是因為它們不能處理PoE的DC電流，而且磁性組件會發生飽和或過熱現象。

　　一個與共模終端相串聯的共模扼流圈可起到隔離該終端的作用。

　　兩個端口公用一個共模扼流圈將使這兩個端口相互耦合，并且達不到限制每個端口的共模電流的目的。代之以如下做法：扼流圈僅控制兩個端口的共模電流之和，并在兩個端口的共模電壓之間起一個變壓器的作用。PoE依靠共模電流來傳送功率；除了接通和關斷瞬變之外，故障條件也會引起較大的瞬變。如果兩個端口公用一個共模扼流圈，則所有這些瞬變就會被從一個端口耦合至另一個端口。

　　檢測

　　檢測可防止老式設備遭受PoE的48V輸出的損壞，而且是建立一個PoE連接的第一步，因此，它是PSE最為重要的職責所在。如果未能進行正確的檢測，則PSE的所有其它方面都將是毫無用處的。PSE控制器IC的檢測電路不應由于噪聲、偏移、連接松動或復數阻抗的影響而錯誤地發現一個PD。由于25K 的特征電阻是通過最長可達100m且不具備共模噪聲抑制能力（雙絞線電纜線路往往擁有該優勢）這一有利條件的電纜來測量，所以，對外部噪聲的耐受和抑制特性是至關重要的，至電纜的電感耦合會引發幅度與被測信號幅度接近的噪聲。

　　分級和功率分配

　　在分級期間，PSE必須維持一個15.5V至20.5V之間的輸出，這樣它就能夠測量PD的分級特征并確定PD所需功率的大小。一個不良的分級測量結果或錯誤的功率分配方案都有可能使PSE過載并導致整個PoE網絡失效。

　　有些PSE控制器對采用一個低壓降（LDO）電路結構來把功率轉換至端口的MOSFET進行了重用，以便對來自PSE的48V電源的分級電壓進行調節。然而，LDO對其負載阻抗非常敏感而且難以對其進行補償。分級是一種特別難以穩定的LDO電路，原因是以太網電纜在LDO與其負載之間插入了電感；此外，旁路電容必須小于0.52 F。當一個PSE控制器IC采取這種方法時，系統設計師必須非常謹慎地遵循IC供貨商的建議，但這仍然無法確保穩定性。

　　對于分級穩定性而言，最大的不利因素也許就是PD。802.3af標準只要求PD吸收電流與5級當中的一級相符。在端口電壓進入14.5V至20.5V的分級范圍之前，一個PD有可能僅吸收非常小的電流。此時，PD可以閉合一個開關并立即對該端口施加高達44mA（4級）的負載電流。這種負載階躍有可能導致端口電壓過沖至分級范圍之外，甚至達到48V ，因此PD 將關斷其分級電流，直到PSE重新將其輸出置于受控狀態之下為止，如此循環往復。當PD施加其分級電流時，PD設計師應對電流增加的速率加以限制。

　　除了PD接通其分級電流時的轉換速率或di/dt之外，PD的I-V曲線很大的一部分也未做規定。標準未對檢測（10.1V）與分級（14.5V）之間以及分級（20.5V）與上電（30V）之間的PD電流做任何規定。一個在技術上符合該標準的PD在該電壓范圍內是不能吸收電流的。有些PD控制器IC在這些區域中吸收非常小的電流，因而有引發互操作性問題的危險。由于電源剛剛關斷不久，而且不要求PSE對端口自動放電，因此可假設端口電壓接近48V。在30V以上，PD將接通，并且其負載電路將迅速地把端口放電至30V。在30V的電壓條件下，PD必須關斷。如果它不繼續吸收一些電流，則端口電壓能維持在30V左右，從而導致永遠也檢測不到PD。在標準未予規定的這兩個區域，本文作者建議PD應大致保持在這些限制范圍之內：PD吸收的電流應大于25K 電阻器所吸收的電流，而小于其分級特征所吸收的電流。對于分級特征電流或許為0mA的0級（class 0）PD而言，這意味著什么呢？一個簡單的回答是：不要構建一個0級PD。

　　分級是任選的。在對PD供電之前，PSE無需對它們進行分級；0級允許PD不參與分級。然而，客戶卻希望進行分級，因為未分級的設備會浪費功率，從而蒙受經濟損失。分級提供了三個功率電平，處于對應分級中的PD保證絕不超過這些功率電平。由于知道2級（class 2）PD將永遠不會需要超過7W的功率，因而可將一個24端口PSE設計成從一個180W電源向24個2級PD供電。而如果未進行分級，則相同的電源便只能夠為180 15.4 = 11個PD供電了。

　　盡管分級能夠更好地利用PSE的可用功率，但是，相對效率而言，802.3af標準仍然更加注重可靠性。PSE絕不能夠使其自身處于過載狀態。為此，該標準強制規定了一個名為"功率分配" 的功率核算與儲備方案，作為防止發生過載的主要方法。當一個PSE向一個PD施加功率時，不管該PSE的其它端口上發生了什么事情，它都將保證這一功率。PSE能為其供電的所有PD儲備分級相適應的功率，并將總儲備功率保持在其電源的供電能力之下。這樣，PSE便能夠始終擁有滿足PD需求的足夠功率。

　　上電

　　接通電源是對一個PD設計的真正考驗，因為PD必須防止發生端口電壓振蕩。當端口電壓為30V～42V時，PD必須接通，這往往意味著需要將一個龐大笨重的旁路電容器連接至端口。大電容器與PSE的電流限值共同作用的結果會導致端口電壓降至30V以下，甚至降至0V。如果PD因為端口電壓下降的緣故而關斷，那么它將開始在接通與關斷這兩種狀態之間來回轉換。PD設計可通過對其電流不加限制的做法來預防在接通與關斷之間的轉換，以使端口電壓維持在供電范圍之內或者PD可以允許的電壓降，但能夠在一段有限的時間里維持其供電狀態（這不受端口電壓的影響）。大多數商業化的PoE PD控制器采取的是把電流限制與使PD的接通電壓和關斷電壓相分離這兩者結合起來使用的方法。例如，凌特（Linear Technology）公司的LTC4257就采用了一個350mA（典型值）的電流限值（這低于PSE的400mA～450mA輸出電流），并且在接通與關斷之間具有9V的遲滯。電流限制能夠防止端口電壓發生顯著下降，而遲滯則可確保PD在發生較小幅壓降的情況下保持接通狀態。LTC4257還具有一種電源良好（Power Good）功能，用于指示負載被充電至端口電壓。采用一個電源良好指示器來使其它負載失效，能夠以盡可能快的速度對旁路電容器進行充電，這樣PD便可以在上電之后50ms的時間里滿足其分級功率和電流限值的要求。DC/DC轉換器往往會因為吸收較多的電流而使其輸入電壓有所下降，因此，應在電容器充電完成之后再啟動它們，這一點尤為重要。

　　對于PSE來說，通過向一個端口供電可測試其用于控制端口電流的MOSFET功率處理能力。該MOSFET在大多數時間里都處于完全接通或關斷的狀態，并且功耗極低（或者根本不消耗功率），因而誘使設計師采用小型器件。然而，在該MOSFET對端口電流實施限制的50ms～75ms時間里，其功耗卻有可能高達25.7W。因此，使該MOSFET保持在其安全工作區（SOA）之內會是一個棘手的難題。有些PSE還由于在同一個封裝內集成了多個MOSFET的緣故而使這一問題變得更加復雜。采用交錯法來解決該問題能在每個端口的接通之間引發長達1分鐘（或更久）的冷卻延遲。PSE能夠采用折返來減小MOSFET的溫升。當端口電壓低于30V時，802.3af標準允許一個低至60mA的端口電流限值。這可以把MOSFET的功耗降至3.4W（當端口電壓為0V時）和12.2W（當端口電壓為30V時），于是，PSE便可使用體積較小、價格較便宜的MOSFET。

　　和所有的電源一樣，電容器也是PSE的一個關鍵組件：大數值的電解電容器用于處理負載電流浪涌，而小數值的低串聯電阻（ESR）電容器則用于抑制高頻擾動。802.3af標準中包含每個PSE輸出都必須滿足的特定紋波要求。不管與其它端口相連接的PD的工作特性如何，PSE都必須遵循這些要求。視其48V電源的響應時間的不同，一個PSE將在每個端口上需要50 F至300 F的電容。每個端口應在其輸出端上具有0.1 F至0.52 F的電容CPSE。為了確保高頻穩定性，該局部旁路電容器應具有低ESR。應該知道，并非所有的電容器生來就是完全相同的，當把高電容壓縮到一個纖巧型封裝之中時，難免需要進行一些權衡取舍。

　　斷電

　　在檢測到PD被拿掉之后關斷電源（IEEE稱之為“斷接”）與決定是否加電同樣重要。不管是哪一種場合，犯錯誤的結果都是一樣的：那就是設備受損。就原理和實現方法而言，依靠測量端口電流來確定PD持續接入的DC斷接都是很簡單的。AC斷接利用端口阻抗的低頻AC測量來檢測PD的存在。AC斷接必須檢測位于以太網電纜遠端的一個PD的阻抗，并同時提供一個穩定的輸出電壓來為PD供電。PSE設計師通過布設一個與PSE的輸出端相串聯的二極管巧妙地處理了這些相互對立的約束條件。如果AC斷接電路的設計不正確，則微安（ A）級的漏電流將足以使端口保持接通狀態。如果您的系統采用的是AC斷接，那么就需非常仔細地檢查其對漏電流和溫度的靈敏度。

　　故障和異常條件

　　當拔掉PD的電源插頭時，除了關斷端口之外，由于諸如端口電流過大等故障條件的緣故，PSE也必須將電源拿掉。PSE還將自動限制其輸出電流，以便把故障和急需供電的PD置于受控狀態。雖然標準允許PSE在1ms的充裕時間里使其輸出進入400mA～450mA的ILIM電流限值范圍，然而精心設計的PSE的操作速度卻要快得多，因而可在故障條件下迅速地對能量加以限制。如果在一根1m～10m電纜的末端發生短路，則電纜電感對減緩電流的快速增加幾乎沒有什么作用（電流可能會在100 s的時間里超過10A），從而在電纜的磁場中存儲可觀的能量。當PSE試圖限制電流時，電纜對電流減小所做出的響應是釋放其儲能并對PSE施加有可能達到數千伏（KV）的電壓。PoE設備最低限度也應當在每個端口上布設單向浪涌抑制器。802.3af標準以外的附加功能能夠對故障狀態的控制有所幫助。當電流超過600mA時，凌特的LTC4258和LTC4259A PSE控制器所采用的快速下拉電路能夠在不到2 s的時間里將端口關斷。

　　PD還應該配備瞬變抑制器，因為它們在接通和關斷期間也可能承受高壓。即使采取了保護措施，有些PD接口IC也會因為電纜的連續插拔而受損。

　　在標準中，關于PSE應該對故障條件做出什么響應有著非常明確的規定。然而，該標準對于一些異常條件（諸如PSE輸出電壓的變化）卻沒有相關的規定。當對PD進行插拔操作或把PSE轉換至一個48V冗余電源時，PSE的輸出電壓有可能發生幅度達10V的變化。這些輸出變化是允許的，前提是轉換速率處于受控狀態。然而，對于一個已經在接收功率的PD，當其輸入電壓發生變化時應該如何動作，該標準卻未做說明。當該PD的輸入電壓升高時，它采用額外的電流來對其輸入旁路電容進行充電，而且有可能超過該PD的分級所允許的電流值。根據該標準的一條嚴格的解釋，如果TSTART間隔已經結束，則PD所吸收的電流一定不得超過其分級所規定的峰值電流。然而，標準意圖盡可能地簡化PD，而且端口電壓的上升與上電相似，于是，明顯擁有可提供功率的PSE應給予PD一個新的TSTART間隔。當端口電壓下降時，PD就面臨著未吸收能保持受電狀態的足夠電流問題。設想一個這樣的PD，它具有典型的二極管橋式輸入、一個大數值的輸入旁路電容器CIN，但卻幾乎沒有用于對該電容器進行放電的內部負載。當端口電壓下降時，PD將停止吸收端口電流，直到其CIN放電至端口電壓以下為止。如果這需要超過300ms的時間，則PSE有可能將電源拿掉。

　　隔離

　　802.3標準要求所有的以太網端口都要與用戶可使用的任何其它導體保持電隔離。這顯然包括設備的金屬底盤、其它的連接器、至AC輸入電源的PSE連接線路以及PD上的任何交流電源連接器。有些或許無法立即想到的物品，諸如觸摸屏、EMI密封墊、開關、螺絲釘、甚至環繞在大多數RJ-45插孔周圍的金屬屏蔽層等，也都必須與RJ-45的插針保持隔離。

　　有些PD應用（比如內置天線的無線接入點）除了RJ-45之外不需要其它可由用戶使用的連接器。對于需要其它外部連接器的PD，隔離問題是借助未采用輸入至輸出電連接的DC/DC轉換器來解決的。正向和反激式開關電源拓撲結構采用一個變壓器來把PD的PoE接口與其電路的其余部分隔離開來，并同時將PoE輸入轉換至適合于對PD的電路進行供電的較低電壓。

　　PSE和PD都有可能具有多個RJ-45插孔，用于支持不止一個以太網連接。對于具有多個端口設備上的以太網端口之間的隔離，802.3af標準具有額外的要求。這些要求雖然是以PSE為實例來說明的，但同樣適用于PD。環境B (Environment B）是較為嚴格的隔離標準，針對那些與跨越一個AC功率分配邊界的以太網電纜相連的PSE。這指的是靠近至少一根與PSE相連的電纜的電氣設備被連接至一個不同于PSE或靠近另一根電纜的設備的地球地。為了防止因地電位不同的緣故而在電纜的末端產生有害的電擊，環境B PSE在其所有的PoE端口之間都進行了電隔離；每個RJ-45插孔的每一個插針都必須與PSE的底盤以及PSE上的所有其它RJ-45插孔的插針保持電隔離。環境A（Environment A）隔離標準針對的是與未穿越功率分配邊界或離開某個建筑物的以太網電纜相連的設備。該區域中所有由PSE來供電的AC電源插座均被連接至同一個地球地，這樣PSE就無需在其各端口之間進行隔離了。它能夠采用一個48V隔離電源來給所有端口供電。如果一個環境A PSE轉換其正輸出，而另一個PSE轉換負極性輸出，則其轉換輸出之間有可能具有危險的90V～114V電壓。802.3af標準通過要求環境A PSE對其負輸出進行轉換解決了這個問題。

　　
摘自　中電網

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