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以太网供电 (PoE) 自 2003 年推出以来，其功率输送能力已从原来的 15.4 瓦激增到 30 瓦，但设计人员在应用中仍需要更大功率。对 PoE 规范的新修订 IEEE 802.3bt 支持最高 60 瓦的电源（某些应用中最高达 90 瓦），以此来应对上述需求。 该修订已于 2018 年底获得批准。现在，第一批商用集成供电设备 (PSE) 控制器和用电设备 (PD) 接口已经上市，使得设计工程师可以运用所谓的“大功率 PoE”。 
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本文首先说明 IEEE 802.3bt 与先前版本 PoE 的不同之处，然后介绍 Microsemi、Texas Instruments (TI)、Linear Technology 和 Nexperia 的集成 PSE 控制器和 PD 接口。本文描述了应用这些器件来构建系统的最佳方法，涉及电路保护、设计和布局要求等重要考虑因素。
什么是 IEEE 802.3bt？ 原始标准 (IEEE 802.3af) 规定电源功率最高为 15.4 瓦，尚能满足 IP 电话和 Wi-Fi 接入点等应用，但对于 IP 视频电话或云台控制 (PTZ) 摄像头等新兴应用而言，就远远不够了。2009 年的规范修订 (IEEE 802.3at) 规定电源功率为 30 瓦，从而解决了这个问题。近年来，为了支持以太网连接应用，例如收银机 (POS) 终端、IEEE 802.11ac 接入点和联网 LED 照明，对功率的需求已提升到更高程度。 为了满足对更大功率的需求，全新的 IEEE 802.3bt（大功率 PoE）对先前的 PoE 和 PoE+ 规范做了修订，提高了 PSE 最小输出功率和 PD 最小输入功率。主要变化是可以通过 Cat5e 以太网电缆的所有四对双绞线进行功率传输。PoE 和 PoE+ 仅使用两对双绞线：“方案 A”应用中的数据线或“方案 B”应用中的备用线。（参见 Digi-Key 文库“以太网供电简介”。） 新规范还引入了“3 型”和“4 型” PSE 和 PD（最大功率分别为 60 瓦和 90 瓦），并为输出和输入功率增加了新类别 (5-8)（表 1）。设计人员应注意，修订旨在符合 ISO/IEC 60950 对有限电源和安全超低电压 (SELV) 的要求，即规定每个端口的最大功率为 100 瓦。 表 1：大功率 PoE (IEEE 802.3bt) 与 PoE (IEEE 802.3af) 和 PoE+ (IEEE 802.3at) 的比较。IEEE 802.3bt 引入了更高的功率、新类型的 PSE 和 PD 以及新类别。（表格来源：Microsemi） IEEE 802.3bt 带来的增强功能 除了可为大功率 PoE 提供更大功率，该规范还引入了其他功能。主要增强功能包括：
为了给有严格待机需求的应用供电，大功率 PoE 的最小脉冲电流持续时间发生了相当大的变化，最小脉冲电流持续时间主要用于确保 PSE 维持功率。以前，1 型和 2 型 PD 使用“维持功率特征”(MPS)，即 10 毫安 (mA) 的脉冲电流每 325 毫秒 (ms) 至少要持续 75 ms，交流阻抗应低于 26.3 千欧 (kΩ)，且并联 0.05 微法 (μF) 的电容。IEEE 802.3bt 规范带来的变化（适用于 3 型和 4 型 PSE）导致脉冲持续时间缩减为 1 型和 2 型 PSE 的 10%。 扩展功率功能是另一个重要变化。PD 测量电缆电阻并计算功率损耗，从而得出确保规范所述 PD 最小输入功率所需的储备功率。在最坏情况下，可能等于先前修订所规定的储备功率，但在实际应用中，储备功率可能较低，从而节省能源。 大功率 PoE 启动 引入新增的四类 PSE 输出功率（5 至 8 类）和相应的 PD 输入功率，以及两种新类型（3 型和 4 型）PSE 和 PD，使得该技术的启动顺序更加复杂。这会影响开发人员对大功率 PoE 系统的设计和 PSE 控制器的选择。 通常，符合 IEEE 802.3af 或 IEEE 802.3at 的设备称为 1 型（0-3 类）或 2 型（4 类）设备。符合 IEEE 802.3bt 的设备称为 3 型（5、6 类）或 4 型（7、8 类）设备。大功率 PoE 定义了一种方法，让 PSE 通过电缆安全地为 PD 供电，而在 PD 电缆断开连接时关闭电源。 IEEE 802.3bt 还具有涌流和时间限制，确保任何类型或类别的 PSE 与 PD 相互兼容。0 至 4 类的涌流限值为 400 至 450 mA，5 至 6 类为 400 mA 至 900 mA，7 至 8 类为 800 mA 至 900 mA。上电后，PSE 涌流限值适用的最长时间为 75 ms，此后，2 型、3 型或 4 型 PSE 根据所属分类支持更高的输出电流。 大功率 PoE 启动过程从 PSE 关闭电源开始，同时会检查是否有设备接入。然后，PSE 对 PD 进行分类，继而提供 PD 要求的功率；如果 PSE 没有足够的容量来充分满足 PD 需求，则提供最大功率。3 型和 4 型 PSE 还有第四种工作状态，即检查 PD 是否在每对双绞线上都具有相同的分类特征。 自动分类是一个可选特性，不是所有符合大功率 PoE 标准的 PSE 和 PD 都支持，因此如果该功能是所开发系统规格的一部分，那么就需要查看规格书。Microsemi 的 PD70210ILD-TR 前端 PD 接口控制器就是一款通过“增强型分类模块”支持该功能的产品。PD70210ILD-TR 还能识别四对双绞线中的哪些真正接收功率，并生成相应的标志（图 1）。 图 1：Microsemi 的 PD70210ILD-TR 前端 PD 接口控制器包含一个增强型分类模块，可简化对大功率 PoE 引入的新类别和 PD 类型的分类。该芯片还能通过 SUPP_S1 和 SUPP_S2 引脚识别四对双绞线中的哪些真正接受供电。（图片来源：Microsemi） PSE 的自动分类首先检查 PD 是否支持该功能，方法是检查类别电流，经短暂延迟后降至 0 类电流水平。如果支持，PSE 便在上电后立即进行自动分类测量，在接下来的 1.35 至 3.65 秒内达到 PD 所需的最大功率。一旦启动，PD 必须输出 MPS 以让 PSE 确信连接仍未断开。MPS 丢失会触发 PSE 关闭电源（图 2）。 图 2：由于引入了新的 PSE 和 PD 类别与类型，大功率 PoE 的启动过程比以前的版本更复杂。如图所示为该过程的三个主要阶段（检测、分类和运行）以及相应的输入电压。（图片来源：Texas Instruments） |
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符合大功率 PoE 规范的新型控制器
自从 PoE 获得批准以来，集成 PSE 控制器和 PD 接口便为开发人员的设计带来了极大的便利。IEEE 802.3bt 也沿袭了之前的理念。制造商相继推出了符合规范草案要求的产品，除了上述的 Microsemi 器件之外，市场上还有其他几种 PSE 控制器和 PD 接口。 例如，Linear Technology 推出了 LTC4291-1/LTC4292 芯片组。这组元器件旨在共同构成 3 型或 4 型 PSE 控制器。电源管理功能包括每端口 14 位电流监控、可编程限流功能和预选端口的多功能关断。PD 检测采用专有的多点检测机制，有助于避免 PD 误识别。该芯片组支持自动分类，并通过引脚或 I2C 编程，为 PD 提供的最大功率为 71.3 瓦。 LTC4291-1/LTC4292 芯片组以高度集成而著称，几乎包含符合 IEEE 802.3bt 标准的 PSE 设计所需的所有电路，只需添加几个外设即可实现相应功能。该器件分为两个芯片（处理器和电源），LTC4291-1 可以放置在非隔离侧，从而简化 PSE 隔离。它可以从主逻辑电源接受供电，并直接连接到 I2C/SMBus 总线。该芯片组采用专有的隔离方案进行芯片间通信，使用低成本变压器取代了光隔离器和隔离电源。变压器为 10BASE-T 或 10/100BASE-T 单元，匝数比为 1:1，带有共模扼流圈（图 3）。 图 3：Linear Technology 的 LTC4291-1/LTC4292 四端口 IEEE 802.3bt PoE PSE 控制器实现了专有隔离，使用低成本变压器取代光隔离器和隔离电源以简化设计。（图片来源：Linear Technology） 为了充分利用大功率 PoE，PD 需要 3 型或 4 型接口，否则 PSE 将仅提供 IEEE 802.3af 定义的最大功率 15.4 瓦（PD 输入为 12.95 瓦）。此接口可以选择 TI 的 TPS2372-4RGWT，它具有 IEEE 802.3bt 规定的 1 型到 4 型 PD 接口的全部功能。 内部开关电阻低，使得 TPS2372-3 和 TPS2372-4 能够分别支持高达 60 瓦和 90 瓦的大功率 PoE 应用，自动 MPS 功能则支持需要超低功耗待机模式的应用。请注意，IEEE 802.3bt 对 PD MPS 的要求适用于电缆的 PSE 端。这意味着根据电缆长度和大容量电容等其他参数，可能需要较长的 MPS 持续时间用于验证。为此，TPS2372 提供三种不同的 MPS 脉冲持续时间和占空比，这可通过 MPS_DUTY 输入引脚来选择。 TPS2372 的涌流水平满足所有 PSE 类型。该芯片还实现了延迟功能，允许 PSE 先完成涌流阶段，再以电源良好 (PG) 输出供电，确保符合 IEEE 802.3bt 启动要求。通过芯片的输入自动分类功能，可以实现 IEEE 802.3bt 标准规定的所有高级系统功率优化模式。 大功率 PoE 入门 使用 LTC4291-1/LTC4292 之类的高度集成芯片组时，芯片供应商已经解决了很多具挑战性的设计问题，但设计人员仍需要仔细选择外部元器件，并遵从印刷电路板布局指南。其中很多都遵循 PoE 系统通用设计指南，但元器件的选择应与大功率 PoE 引入的高电压和电流水平相称。 例如，图 3 所示的 VDD 和 VEE 分别需接入数字电源和 PoE 主电源。VDD 需要接入 3.3 伏，VEE 需要接入 -51 至 -57 伏（3 型 PSE）或 -53 至 -57 伏（4 型 PSE）的负电压。VDD 与 DGND 之间应接入至少 0.1 μF 的陶瓷去耦电容，并尽可能靠近各 LTC4291-1。为保持所需的隔离，不得将 LTC4292 AGNDP 与 LTC4291-1 DGND 连接。 VEE 是为 PD 供电的 PoE 主隔离电源。由于提供的功率相对较大并且易受大电流瞬变的影响，因此与简单的逻辑电源相比，设计时需要予以更多考虑。为了获得最佳系统效率，应将 VEE 设置为接近最大幅度 (57 V)，留下的裕量足够应付瞬态过冲或欠冲、温度漂移、线路调节即可。AGNDP 与 VEE 之间需要接入至少 47 μF 的大容量电解电容器，以便在发生电气瞬变时能最大限度地减少虚假复位。 外部 MOSFET 的选择是开发人员的另一项关键设计决策。该 MOSFET 是构成控制 PSE 输出的功率开关器件。元器件的选择对系统可靠性有重要影响，要求设计人员针对各种 PSE 限流条件分析和测试 MOSFET 安全工作区 (SOA)。Linear Technology 推荐 PSE 使用 Nexperia 的 PSMN075-100MSEX，配置可为 PD 提供的最大功率为 51 瓦，或者使用 PSMN040-100MSEX，为 PD 提供 71.3 瓦功率。这些 MOSFET 在 PoE 应用中的可靠性已得到验证。 LTC4291-1/LTC4292 芯片组针对每通道 0.15 Ω 电流检测电阻而设计。因而，开发人员必须并联两个 0.3 Ω 的电阻器，如图 4 所示。为了符合大功率 PoE 规范，检测电阻的容差必须为 ±1% 或更小，并且温度系数不超过 ±200 百万分率/摄氏度 (ppm/℃)。 图 4：如图所示为 LTC4292 所需的顶层和底层检测电阻模块布局。为了符合大功率 PoE 规范，检测电阻 (RSTx) 的选择和布局至关重要。（图片来源：Linear Technology） 每个端口的 OUTnA 和 OUTnB 与 AGNDP 之间都需要接入 0.22 μF 电容器（见图 3），以便在启动或过载需要限流的情况下，使 LTC4292 保持稳定。建议使用额定电压至少为 100 V 的 X7R 陶瓷电容器，并且必须靠近 LTC4292 放置。 以太网端口易受大电流瞬变的影响。PoE 系统的综合浪涌保护是一个需要单独撰文来讨论的复杂主题，但最低要求是需要接入大容量的电压抑制器，如瞬态电压抑制 (TVS) 二极管（TVS BULK）和大容量电容器 (CBULK)，以将每个端口的浪涌电流和浪涌电压抑制在安全水平（图 5）。在电源 AGND 与 LTC4292 AGNDP 引脚之间还需要接入 10 Ω 的串联电阻器 (R1)。在 LTC4292 AGNDP 引脚与 VEE 引脚之间应接入 58 伏 TVS 二极管 (D1) 和 1 μF、100 伏旁路电容 (C1)，电容器应靠近 LTC4292 引脚放置。最后，每个端口需要接入一对 S1B 钳位二极管：一个接在 OUTnM 与电源 AGND 之间；另一个接在 OUTnM 与电源 VEE 之间。这就将所有电气瞬变导入电源轨中，最后由浪涌抑制器吸收。 图 5：PSE 控制器需要防范电气瞬变。如图所示为 Linear Technology 的 LTC4292 及必需的电压/电流抑制器和元器件，以将瞬变导离敏感芯片。（图片来源：Linear Technology） TI 的 TPS2327 等芯片的高度集成同样简化了 PD 接口开发工作，但也需要加设一些外部元器件（图 6）。 例如，PD 接口的电缆输入端需要接入二极管。对于 TPS2327，TI 建议在大功率 PoE 应用中，使用额定值为 3 至 5 安、100 伏的分立或桥式肖特基二极管，而不要使用普通二极管，因为肖特基二极管会使耗散功率降低 30%。开发人员需要考虑的一点是，肖特基二极管通常比普通 PN 结二极管具有更高的反向漏电电流，因此难以满足规范中定义的 2.8 伏最大反馈电压。为了补偿，应使用普通二极管工作温度限制和低漏电器件来实现。与普通二极管相比，肖特基二极管更容易受电气瞬变的影响，因此建议采用由铁氧体磁珠和电容器构成的电压/电流保护。 IEEE 802.3bt 规范规定在 VDD 至 VSS 之间接入 0.05 至 0.12 μF 的输入旁路电容器（通常为 0.1 μF、100 V、±10% 陶瓷电容器）。规范还要求接入检测电阻 RDEN、分类电阻 RCLSA 和 RCLSB 以及 MPS 电阻 RMPS。RDEN 建议使用 24.9 kΩ、±1% 的电阻器。分类电阻接在 CLSA 和 CLSB 与 VSS 之间，根据 IEEE 802.3bt 标准设置分类电流。电阻器的值和分配的功率类别由 PD 在运行期间消耗的最大平均功率决定。RMPS 设置 MPS 占空比；例如，1.3 kΩ 电阻器将占空比设置为 26.4%。MPS_DUTY 短接到 RSS 时，设置的占空比为 12.5%。 大功率 PoE PD 接口还需要在电源线上接入 TVS 二极管和大容量电容器（D1、CBULK）作为电压抑制器，以吸收电缆这一端的电气瞬变。 图 6：TI 的 TPS2372 大功率 PoE PD 接口应用示意图显示了完成设计所需的外设元器件，主要是输入二极管、抑制器件及检测、分类、MPS 电阻。（图片来源：Texas Instruments） 许多设计指南可以确保印刷电路板布局、元器件布置和布线要求符合 IEEE 802.3bt 规范对参数测量精度、系统稳健性和散热方面的要求。Linear Technology 和 TI 均为各自的 PSE/PD 接口提供了符合规范的参考设计。对开发人员而言，这些参考设计是很有用的指南。 |
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总结
大功率 PoE 扩展了 PoE 的应用并提高了效率。但是，由于引入更多 PSE 控制器和 PD 接口类型与类别，以及其他操作和安全特性，也增加了实施的复杂性。 集成 PSE 控制器和 PD 接口解决方案将这些功能以标配的形式提供，使设计人员受益匪浅。这些方案减少了系统所需的外设元器件数量，从而大大简化并加速设计过程。 |
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