單芯片電源管理和端口控制器解決方案

PoE 和 PoE+ 基礎(chǔ)知識(shí)

PoE 的簡(jiǎn)易性體現(xiàn)在，在一根 CAT 5 電纜上結(jié)合了供電和通信功能。與使用單獨(dú)的電源和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比，工程師可利用此功能快速、低成本地設(shè)計(jì)和構(gòu)建維護(hù)要求較低的網(wǎng)絡(luò)。

PoE 在世紀(jì)之交取得了迅猛的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音協(xié)議電話 (VoIP) 開(kāi)始利用基于以太網(wǎng)的專有技術(shù)，允許在同一網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和電力。

2003 年 6 月，IEEE 將 PoE 規(guī)范采納為現(xiàn)有 IEEE 802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的修訂 (“af”)，對(duì)此概念進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。2009 年采用了第二項(xiàng)修訂“at”，能夠讓 PoE 安全地處理更高功率。

IEEE 802.3af 可以向網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用電設(shè)備提供高達(dá) 15.4 瓦和 44 至 57 伏的直流電(在連接點(diǎn)提供 12.95 瓦的保證功率)。根據(jù)電源要求，可將用電設(shè)備定義為 1 類、2 類或 3 類。該技術(shù)使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) RJ45 連接器和一根 CAT 5(如果電源要求較低則為 CAT 3)電纜。

該標(biāo)準(zhǔn)的“B 方案”在 CAT 5 電纜四對(duì)電線中兩對(duì)未用于傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的電線上傳輸電力。“A 方案”則在電纜的數(shù)據(jù)導(dǎo)線上施加共模電壓，為連接的設(shè)備供電。由于以太網(wǎng)使用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，因此施加的電壓不會(huì)影響功能。

IEEE 802.3at 可以向 4 類用電設(shè)備提供高達(dá) 30 瓦(到用電設(shè)備為 25.5 瓦)和 50 到 57 伏的直流電。與早期技術(shù)的 350 毫安 (mA) 相比，PoE+ 的最大電流為 600 毫安 (mA)。PoE+ 僅使用 CAT 5 電纜，降低了阻抗和功率損耗。

IEEE 802.3at 修訂版向后兼容 IEEE 802.3af，而最新的 IEEE802.3-2012 標(biāo)準(zhǔn)則合并了 802.3at 規(guī)范。

除功率等級(jí)之外，PoE 元件可劃分為兩個(gè)類型：

1 型兼容 IEEE 802.3af 規(guī)范。

2 型兼容 IEEE 802.3af 和 802.3at 規(guī)范。

最新版的標(biāo)準(zhǔn)禁止在 CAT 5 電纜的所有四對(duì)雙絞線上傳輸電力。不過(guò)，所謂“4 對(duì) PoE”的提議也已取得進(jìn)展，最早可能于今年(2018 年)加入到標(biāo)準(zhǔn)中。4 對(duì) PoE 引入了 5 類、6 類、7 類和 8 類用電設(shè)備，可提供高達(dá) 90 瓦(到用電設(shè)備為 71 瓦)和 960 mA 的電力。

PoE 系統(tǒng)的要素

IEEE 802.3af 定義了兩種類型的 PoE 設(shè)備：用電設(shè)備 (PD) 和供電設(shè)備 (PSE)。PSE 從傳統(tǒng)電源吸收功率，然后管理在以太網(wǎng)上分配的電力。反過(guò)來(lái)，PD 通過(guò) RJ45 連接器獲得供電，因而無(wú)需使用內(nèi)置電源。PoE 能夠在運(yùn)行長(zhǎng)度達(dá)數(shù)十米 (m) 的典型以太網(wǎng)電纜上為用電設(shè)備供電。

PoE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 PSE 與 PD 之間的信號(hào)傳送。此信號(hào)傳送可讓 PSE 檢測(cè)到符合規(guī)范的設(shè)備，避免對(duì)連接到網(wǎng)絡(luò)的非 PoE 設(shè)備造成可能的損害。導(dǎo)線間施加了 2.8 到 10 伏的直流電壓，連接的用電設(shè)備提供 19 到 27 千歐 (kΩ) 的阻性負(fù)載，并使用不超過(guò) 120 毫微法 (nF) 的并聯(lián)電容器作為“簽名”。檢測(cè)到 PSE 后，PSE 將與 PD 協(xié)商，確定所需的功率。

PSE 以端點(diǎn)或中跨方式獲得供電。端點(diǎn)(或 PoE 交換機(jī))是采用 PoE/PoE+ 傳輸電路的以太網(wǎng)交換機(jī)。中跨是位于常規(guī)以太網(wǎng)交換機(jī)與用電設(shè)備之間的 PoE“供電器”，目的是在不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)完整性的情況下增加功率。

端點(diǎn)通常用于新安裝的設(shè)備，或在較舊的網(wǎng)絡(luò)完全升級(jí)至 PoE+ 時(shí)使用。在需要保留現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機(jī)以降低成本和簡(jiǎn)化安裝的情況下，可采用中跨進(jìn)行 PoE+ 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)(圖 1)。中跨供電器的示例如 Microsemi Corporation 符合 IEEE 802.3at 規(guī)范的 PD 9001。

中跨 PoE 安裝示意圖

圖 1：在將現(xiàn)有的以太網(wǎng)升級(jí)至 PoE 時(shí)通常使用中跨 PoE 安裝，因?yàn)檫@樣可以保留已安裝的電纜并降低成本。(圖片：Microsemi Corp.)

端點(diǎn)和中跨實(shí)現(xiàn)還有一點(diǎn)更重要的區(qū)別;規(guī)范僅允許在 B 方案的實(shí)現(xiàn)(即在電纜中的非數(shù)據(jù)傳輸對(duì)上傳輸電力時(shí))中使用中跨(圖 2)。

PoE/PoE+ B 方案示意圖

圖 2(a)：PoE/PoE+ B 方案要求在 CAT 5 以太網(wǎng)電纜的備用線對(duì)(非信號(hào))上傳輸電力。中跨 PoE 實(shí)現(xiàn)只能使用此配置。(圖片：Silicon Labs)

PoE/PoE+ A 方案示意圖

圖 2(b)：PoE/PoE+ A 方案要求在 CAT 5 以太網(wǎng)電纜的信號(hào)線對(duì)上傳輸電力。端點(diǎn) PoE 實(shí)現(xiàn)可使用 A 方案和 B 方案配置。(圖片：Silicon Labs)

早期的 PSE 采用分立電路，并劃分為電源與以太網(wǎng)絡(luò)之間的通信接口。為簡(jiǎn)化 PoE 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有廠家后來(lái)引入了集成的 PSE 控制器，將 PoE+ 接口電路與電源結(jié)合起來(lái)。最近，系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，增加了 PSE 控制器的功能，如此便可通過(guò)集成一個(gè)微控制器實(shí)現(xiàn)多端口的本地監(jiān)控。

實(shí)用 PoE 電源管理 IC 解決方案

Silicon Labs 的 Si3459 PoE PSE 端口控制器是一個(gè)單芯片解決方案實(shí)例。該芯片設(shè)計(jì)為在 PSE 端點(diǎn)中使用，并且集成了八個(gè)獨(dú)立端口，每個(gè)都帶有用電設(shè)備檢測(cè)和分類功能。此外，Si3459 還可實(shí)現(xiàn)使用直流檢測(cè)算法的用電設(shè)備斷連、軟件可配置每端口電流和電壓監(jiān)視以及可編程限流功能。盡管芯片集成了一個(gè) 8051 微控制器，但還需要一個(gè)主機(jī)處理器才能實(shí)現(xiàn)完全控制。此處理器通過(guò)一個(gè)三線 I2C 兼容型串行接口與 Si3459 通信。通過(guò)在 PoE 系統(tǒng)中使用 Si3459，設(shè)計(jì)人員可以大幅減少設(shè)計(jì)的元件數(shù)和復(fù)雜度。

Silicon Labs 提供了適合基于 Si3459 的設(shè)計(jì)的評(píng)估套件 Si3459-KIT。在正常工作期間，Si3459 由主機(jī)處理器通過(guò)芯片的 I2C 接口進(jìn)行控制，套件中包含圖形用戶界面 (GUI)，因而可以更輕松地顯示和控制 Si3459 的 I2C 寄存器。評(píng)估套件需要使用 PC，通過(guò)提供的 GUI 來(lái)控制評(píng)估板。套件包含兩個(gè)支持 16 端口演示系統(tǒng)的 Si3459 控制器。每個(gè)端口可提供 30 瓦的功率。

在計(jì)算 PoE 系統(tǒng)的功率要求時(shí)，需要考慮電纜損耗，這一點(diǎn)很重要。在 1 型配置中，該規(guī)格允許的 PSE 與 PD 之間的最大電纜電阻為 20 Ω (Rmax)(圖 3)。此外，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了 PSE 最大輸出電流 (IPSE_out_max)、PSE 最小輸出電壓 (VPSE_out_min) 和 PSE 輸出功率 (PPSE_out)。此配置會(huì)造成約 2.5 瓦的電纜損耗，以及 PD 處出現(xiàn)相應(yīng)的功率和電壓下降。

1 型配置示意圖，20 Ω 電纜電阻導(dǎo)致 2.45 瓦的功率損耗

圖 3：在這個(gè) 1 型配置中，20 Ω 電纜電阻導(dǎo)致電纜上出現(xiàn) 2.45 瓦的功率損耗。因此，傳輸?shù)接秒娫O(shè)備的功率降至 12.95 瓦，電壓則降至 37 伏。(圖片：Silicon Labs)

類別PSE Pout 最大值 [W]Rcable 最大值 [Ω]PSE Vout 最小值 [V]PSE Iout 最大值 [mA]最大電纜損耗 [W]PD Pinmax [W]015.402044350.002.4512.9513.84204487.270.153.6926.492044147.500.446.05315.402044350.002.4512.95430.0012.550600.004.5025.50

表 1：PoE 0 類、1 類、2 類和 3 類(1 型)以及 4 類(2 型)電纜的功率損耗。(圖片：Silicon Labs)

配置多端口 PoE 安裝

POE+ 的采納增強(qiáng)了該技術(shù)的實(shí)用性，因?yàn)樗墓β蕚鬏敻?，允許開(kāi)發(fā)人員連接高耗電的設(shè)備，例如帶有平移、傾斜和縮放功能的安防攝像機(jī)。不過(guò)，包含數(shù)十個(gè)用電設(shè)備的大型系統(tǒng)需要大型電源，并且設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。例如，考慮一個(gè)包含 50 個(gè)用電設(shè)備的系統(tǒng)，且所有設(shè)備均吸收可供 2 型系統(tǒng)使用的最大功率;這時(shí)電源需要提供 1.5 千瓦(50 x 30 瓦)功率。而且，大型商用 PoE+ 系統(tǒng)往往包含備用電源，以應(yīng)對(duì)主設(shè)備故障。

但在典型的大規(guī)模 PoE+ 安裝中，許多用電設(shè)備并不要求系統(tǒng)能夠提供最大功率。例如，Wi-Fi 路由器、VoIP 電話和 LED 燈等設(shè)備需要的功率小于 10 瓦。盡管這會(huì)降低電源的總體需求，但它增加了配置系統(tǒng)電源管理的難度。

芯片供應(yīng)商通過(guò)提供電源管理控制器，減輕了設(shè)計(jì)人員的 PoE+ 電源管理負(fù)擔(dān)。這些集成的設(shè)備(例如 Silicon Labs 的 Si3484)將會(huì)監(jiān)控多端口 PoE+ 實(shí)現(xiàn)的所有功率要求。

Si3484 作為電源管理器，旨在監(jiān)控多達(dá) 64 個(gè)端口(由三個(gè)成組電源供電)，從而實(shí)現(xiàn)單一系統(tǒng)電源。盡管 Si3484 能夠向所有 64 個(gè)端口提供 30 W 功率，但它的主要設(shè)計(jì)用途是對(duì)混合了 0 類、1 類、2 類和 3 類設(shè)備以及在 2 型安裝中使用 4 類設(shè)備的系統(tǒng)進(jìn)行配置。

設(shè)計(jì)人員可通過(guò)芯片的 SPI 或 UART 接口配置 Si3484 電源管理控制器，以設(shè)置系統(tǒng)的電源容量、端口功率配置(1 型或 2 型)、端口優(yōu)先級(jí)、檢測(cè)定時(shí)(在方案 A 與方案 B 之間略有不同)，以及故障恢復(fù)協(xié)議。完成設(shè)定后，Si3484 無(wú)需主機(jī)處理器介入便可工作?？商峁┎⑦B續(xù)更新端口和總體狀態(tài)信息。

Si3484 設(shè)計(jì)成與上述 Si3459 PoE PSE 端口控制器配合使用。該電源管理控制器使用 Si3459 的實(shí)時(shí)過(guò)載和電流監(jiān)控功能來(lái)管理在 64 個(gè)端口之間共享的電源(圖 4)。

Silicon Labs 的 Si3484 電源管理控制器示意圖

圖 4：Silicon Labs 的 Si3484 電源管理控制器可與該公司的 Si3459 端口控制器配合使用，用于控制多個(gè)電源并配置多個(gè) 0 類、1 類、2 類、3 類和 4 類端口的輸出。(圖片：Silicon Labs)

PoE 電源管理

單個(gè) Si3484 電源管理控制器可支持多達(dá) 8 個(gè) Si3459 端口控制器(每個(gè)包含 8 個(gè)端口)，從而構(gòu)建出一個(gè)包含 64 個(gè)端口的安裝。端口控制器負(fù)責(zé)低級(jí)端口功能，如用電設(shè)備的檢測(cè)和分類，而電源管理控制器則監(jiān)控所有端口之間的功率分配。

開(kāi)發(fā)人員可以為每個(gè)端口配置可選的功率限制，以限制電源管理器提供給特定設(shè)備的最大功率。如果用電設(shè)備的功率要求大于分配給端口的限制，則該請(qǐng)求將被拒絕，以避免系統(tǒng)過(guò)載。

將更多的用電設(shè)備連接到備用端口后，電源管理控制器會(huì)根據(jù)用電設(shè)備的分類確定可能的功率要求。如果有足夠的開(kāi)銷，則進(jìn)行供電，否則拒絕該請(qǐng)求。Si3484 也可以在連接過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整授予用電設(shè)備的功率。在發(fā)生端口過(guò)載時(shí)，電源管理控制器會(huì)關(guān)閉該端口。

Si3484 芯片使用基于授權(quán)或用量的策略，并考慮電纜損耗，將功率分配給每個(gè)端口。按照基于授權(quán)的策略，端口不論使用與否，都被分配設(shè)定的功率。新用電設(shè)備的功率將從剩余的功率開(kāi)銷中分配。此方法的優(yōu)勢(shì)在于，如果用電設(shè)備的功耗在工作期間增大，則可以增加供電 – 前提是沒(méi)有超過(guò)原始授權(quán)。不足之處在于效率低下，因?yàn)樾碌挠秒娫O(shè)備無(wú)法接入現(xiàn)有授權(quán)的未使用分配量(圖 5a)。

Silicon Labs Si3484 實(shí)現(xiàn)了基于授權(quán)的電源管理策略示意圖

圖 5a：Si3484 可實(shí)現(xiàn)基于授權(quán)的電源管理策略，其中的用電設(shè)備不論使用與否，都會(huì)被分配了預(yù)設(shè)的功率。這種策略以系統(tǒng)效率為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了靈活的用電設(shè)備功耗。(圖片：Silicon Labs)

基于用量的策略更加高效，但如果用電設(shè)備的用量超過(guò)了原始分配量，則可能導(dǎo)致端口過(guò)載。為避免重復(fù)發(fā)生系統(tǒng)過(guò)載，開(kāi)發(fā)人員可以指定禁止功率保留，在現(xiàn)有用電設(shè)備功耗升至超過(guò)原始分配量時(shí)服務(wù)現(xiàn)有用電設(shè)備，而不是將其分配給新設(shè)備。

開(kāi)發(fā)人員還可以配置 Si3484 在短時(shí)間內(nèi)提供功率過(guò)載。這種過(guò)載通常在現(xiàn)代電源的能力范圍以內(nèi)，前提條件是不會(huì)持續(xù)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間(圖 5b)。

基于用量的電源管理策略示意圖

圖 5b：基于用量的電源管理策略更加高效，并可實(shí)現(xiàn)功率分配的保留和過(guò)載。(圖片：Silicon Labs)

在工作期間，如果系統(tǒng)過(guò)載小于過(guò)載限制，則電源管理控制器會(huì)按照優(yōu)先級(jí)順序關(guān)閉端口，直至系統(tǒng)不再受到壓力。如果系統(tǒng)已嚴(yán)重過(guò)載(如果三個(gè)電源中的一個(gè)離線，可能會(huì)發(fā)生這種情況)，Si3484 將會(huì)關(guān)閉所有低優(yōu)先級(jí)端口，然后按照優(yōu)先級(jí)順序逐一關(guān)閉更多端口，直至系統(tǒng)恢復(fù)安全狀態(tài)。