驅(qū)動(dòng)高功率以太網(wǎng)絡(luò)供電技術(shù)的分析和設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)絡(luò)供電 (PoE) 技術(shù)能夠透過標(biāo)準(zhǔn) Cat-5 電纜進(jìn)行供電，完全不需要透過墻面轉(zhuǎn)接器或其它外部電源，就能夠驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這類系統(tǒng)需要兩項(xiàng)主要組件，分別是供電的電源供應(yīng)設(shè)備 (power sourcing equipment, PSE) 及接收并使用這個(gè)電源的動(dòng)力裝置 (power device, PD)，如圖1。

圖 1  具備電源設(shè)備及供電裝置的典型 PoE 網(wǎng)絡(luò)示意圖
 

目前有許多已開發(fā)的實(shí)用PoE 應(yīng)用，然而，新推出的應(yīng)用所需要的功率高于現(xiàn)今 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)所定義的功率限制，也就是為用電裝置端提供約 13 W 的功率?，F(xiàn)今需要新的 PoE+ 標(biāo)準(zhǔn)以滿足增加功率的需求，但這項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)仍未定義完成。在新標(biāo)準(zhǔn)出爐前，勢必要能夠針對(duì)所需功率高于現(xiàn)今可提供功率的 PD 負(fù)載進(jìn)行供電。

高功率 PoE 的系統(tǒng)需求

任何采用 Cat-5 電纜的高功率解決方案都必須符合下列基本規(guī)范：

• 不得造成以太網(wǎng)絡(luò)纜線、電源供應(yīng)設(shè)備 (PSE) 或 PD 過熱

• 不得造成電流不均衡，以避免變壓器飽和的危險(xiǎn)
• 必須將操作電壓維持在 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍內(nèi)
 

任何解決方案應(yīng)該盡可能提供下列功能：
• 與 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)兼容：搜尋、分類、電流消耗、欠壓封鎖（undervoltage lockout）、流入電流（in-rush current）、電流限制等
• 具備電源管理功能
• 電纜裝置時(shí)的損壞電線偵測

在較高電壓下運(yùn)作

802.3af 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 PSE 輸出電壓介于 44 至 57 V 之間，且 PSE ICUT (表示耗電過載的程度) 最低為 350 mA，而 ILIM (表示可能的最高耗電量) 最低為 400 mA。使用長度為 100 公尺且最壞情況饋電電阻為 20 的纜線時(shí)，在允許最低電壓運(yùn)作的狀況下，PD 輸入受限為 12.95 W。

若要提供更多的電源，只需要以接近 57 V 限制的較高母線電壓進(jìn)行運(yùn)作即可。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是提升系統(tǒng)效能，并降低纜線與 PSE 及 PD 輸入階段的耗損。

現(xiàn)有的 Cat-5 電纜安裝仍可繼續(xù)使用，因?yàn)槔|線耗損并未增加，而且只要遵照設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行，確保不會(huì)造成任何不良狀況，此解決方案出現(xiàn)電線不均衡與磁性飽和等風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)率便不會(huì)大于標(biāo)準(zhǔn) PoE 安裝方式。另外，此解決方案與 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)兼容，并且使用與 802.3af 裝置相同的磁性組件。

若要使此解決方案發(fā)揮效用，提供輸入電壓的切換式電源供應(yīng)必須以較嚴(yán)格的容差（tolerance）進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，如果偏差介于 53 至 57 V 之間，則在電源供應(yīng)的過壓防護(hù)之外，需要 ±3.5% 電壓容差。

如今，Cat-5 銅質(zhì)通信配線已成為寬帶服務(wù)的最低需求，其中采用的標(biāo)準(zhǔn)是 EIA/TIA-568，而 Cat-5 電纜的設(shè)計(jì)采用 24 AWG 導(dǎo)體，因此最壞情況饋電電阻為 12.5。
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通過四對(duì)電纜供電

為達(dá)到更高電壓的更高功率需求，將所有四對(duì)電纜與兩個(gè) PSE 操作端口搭配使用是可行的解決方案（如圖2）。采用此解決方案時(shí)，仍可達(dá)到上述的所有優(yōu)點(diǎn)，而 PD 端的設(shè)計(jì)人員可以選擇以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接 DC/DC 電源供應(yīng)。

圖 2  運(yùn)用現(xiàn)有解決方案管理高功耗裝置

若要使解決方案確實(shí)可行，設(shè)計(jì)人員必須確保各個(gè)饋電之間都能共享可接受的電流分配 (電流分配不可與各對(duì)線之內(nèi)的平衡相混淆)。由于各個(gè)饋電都有個(gè)別的二極管與二極管電橋 (負(fù)溫度系數(shù))、保險(xiǎn)絲，以及電阻組件，而各個(gè) PD 都有負(fù)輸出阻抗的切換式電源供應(yīng)，因此建置時(shí)必須小心謹(jǐn)慎。另外，可以在 PSE 端使用兩種不同電壓的電源來驅(qū)動(dòng)每一對(duì)線，以達(dá)到兩種不同的電壓等級(jí)。如果分配不均，達(dá)到的電流限制將遠(yuǎn)低于預(yù)期的總電流。

透過雙對(duì)線增加供電

若要使用雙對(duì)線增加供電，可行的解決方案是提高電壓使每一對(duì)的電流增加。在這類應(yīng)用中，PD 及 PSE 上設(shè)定的電流限制高于現(xiàn)今 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)所定義的限制。

PD 及 PSE 電源組件必須有較高的電流能力，這對(duì)于數(shù)據(jù)變壓器組件而言尤其重要。我們可以預(yù)估在同一對(duì)線中兩條電線之間的直流電流不平衡狀況會(huì)高于 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，然而，不論直流電流的狀況為何，都務(wù)必維持訊號(hào)的完整性。

現(xiàn)有的 Cat-5 電纜安裝仍可繼續(xù)使用，由于周圍環(huán)境溫度與纜線溫度會(huì)隨著電線散出的熱能而升高，因此必須確保不超過額定上限的纜線溫度。

強(qiáng)烈建議線纜內(nèi)只有幾條纜線出現(xiàn)較高的電流，以避免線纜的內(nèi)部電線出現(xiàn)高溫上升的狀況。此外，也必須根據(jù)接合力/分離力 (電容與電感負(fù)載) 以及電流傳導(dǎo)能力來選擇連接器。

對(duì)于電源需求高于 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的 PD 負(fù)載，可以使用雙對(duì)線或四對(duì)線解決方案，然而，這兩種解決方案無法使 PSE 預(yù)估 PD 尚需多少電量 (超出 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)限制的部分)，也無法預(yù)估應(yīng)該使用一個(gè)連接埠或并用兩個(gè)連接埠，而且 PD 也無法得知 PSE 在標(biāo)準(zhǔn)狀況下能夠再提供多少電量。