PoE应用前景无限

作为通过以太网电缆输电的IEEE工业标准，以太网供电(PoE)技术的发展势头十分强劲。这一新兴技术通过传输以太网数据的CAT-5电缆进行供电，可以简化用电设备(PD)的安装和部署。这些设备包括无线接入点、监控摄像机和VoIP电话等。  

目前，IEEE 802.3af PoE标准允许设计师通过以太网电缆为用电设备（PD）提供高达12.95W的电力，同时符合安全特低电压(SELV)要求。根据 IEEE 802.3af标准，PD可按所需功率分为四个不同的级别。Class 1设备需要的最高工作功率为3.84W，Class 2设备需要的工作功率介于3.85W和6.49W之间，Class 3设备的功率范围则介于 6.5～12.95W之间。设计师可以根据功率要求将他们的设备指定为特定的级别。低成本解决方案可以使用一般的默认级别指定(Class 0)，表示PD最高需要 12.95W的工作功率。  

PSE（供电设备）通过在向PD供电期间提供斜升电压（从2.5V上升到10V）来确定PD的级别。如果PSE检测到来自PD的适当阻抗特征(24.9kΩ)，它便会继续提升电压。如果检测不到特征阻抗，PSE将不会为电缆加电。在分级阶段，PSE将向PD施加15～20V的电压，并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。在此阶段，PD的电源部分将被欠压锁定(UVLO)电路维持在无源状态，以便隔离开关级，直至特征和分级阶段完成。一旦分级完成后，PSE将会向PD提供全额工作电压。

拓扑结构的确定方法

要为PoE兼容PD开发出高效的电源，设计师需要低压转换器IC、功率MOSFET、浪涌保护、UVLO以及特征和分级电路配合工作。目前，设备设计师使用两种方法来满足这一要求。有些设计师使用这样的集成方法：将浪涌保护电路、DC/DC控制器、开关MOSFET以及电流限流和其他保护功能结合在一起，然后使用分立电路来增加特征和分级功能、UVLO以及直通开关。这种方法可以使所有PoE等级的设计获得出色的可伸缩性，设计师有足够的空间来修改解决方案，使其符合特定的应用。例如，Power Integrations公司推出的14个DC/DC转换IC系列具有不同的MOSFET选择和封装形式，可以满足广泛的PoE要求。如果采用此方法，设计师则只需少量的外部元件用于特征电路（对于Class 0设计，只需要一个电阻）、分级电路和UVLO电路。图1所示为采用此方法的完全可配置的多级IEEE 802.3af兼容PD接口。



图1 可设定级别的IEEE802.3at PD接口

其他功率半导体制造商则使用另一种集成方法。他们将浪涌保护电路和DC/DC控制器，以及UVLO、开关、特征和分级功能结合在一起。这些电路通常都不包括DC/DC开关MOSFET和限流电路。802.3af前端集成可以进一步简化PoE接口的设计。通常情况下，此方法需要客户来添加分立开关MOSFET和外部限流元件。由于在此系统中添加开关元件的工作由设计师来负责，因此他们必须熟悉模拟功率开关级的开关和控制问题。他们还必须了解与PCB布局和高频开关相关的稳定性问题。这些问题都是设计过程中不容忽视的重要部分，要求设计师对功率电路有良好的理解，并需要额外的时间进行电路板设计和测试。  

新标准

目前，IEEE专门小组正在制定新版标准。新标准称为 Power-over-Ethernet Plus (PoEP) IEEE 802.3at，它将功率要求高于12.95W的设备定义为Class 4（该级别在IEEE 802.3af中有描述，但留作将来使用），可将功率水平扩展到25W或更高。由于能够支持更高的功率水平，工业专家预计这一新标准会将PoE应用扩展到新的领域，例如WLAN（无线局域网）、销售点终端设备、交换机以及倾斜式/变焦式/平移式监控摄像机。新标准正由专门小组制定，预计在2008年底发布。新标准虽然尚未制定完毕，但可以从下面的评论中大致了解其中的关键特征。



图2a 集成PD与控制器功能



图2b 集成DC转换器功能与分立PD

由于新标准是向下兼容802.3af标准的，因此专门小组面临的一个主要问题是，PSE如何判断与之相连的是802.3af兼容PD还是新的802.3at兼容PD（以及PD如何对PSE做出类似的判断）。为了解决此问题，802.3at标准将使用与 802.3af中相同的特征来指示PoE兼容PD，但这样会在分级阶段增加第二次电压脉冲，以便指示PSE的802.3at兼容状态。802.3at兼容PD将检测到第二次电压脉冲，并判断它们已连接至802.3at兼容PSE。由于分级周期持续时间符合 802.3af时间限制，因此与当前802.3af标准兼容的PD会将第二次脉冲仅视为初始查询和响应的一部分。

PoEP标准中最引人注目的一个新变化将是，它能够以比现有标准更详尽的细节来控制功率分布。兼容802.3af标准的PSE识别PD的级别后，只需提供级别定义所允许的最大功率即可。802.3at系统通电后，符合标准的PSE将能够使用Level-2软件与每个PD进行通信，以确定峰值和平均功率要求。这一新功能将允许设计师根据功率预算来设计PoE兼容系统，并使系统总功率能力更接近于系统负载要求。峰值负载功率和高电流持续时间之间还可以建立通信（例如，摄像机推拉电机具有较高的短时电流要求）。不过，新标准尚未对这种Level-2通信进行完整定义。

结语

如今广泛应用的许多电子设备，例如VoIP电话、吸顶式无线接入点和监视摄像机，都无法容易地放置在AC插座附近。它们的安装和使用已受到AC电源可用性的严重限制（或者安装成本更高）。PoE技术的出现使设计师可以轻易突破这些限制。随着功率半导体厂商提供更多样的开关和器件，再加上新的工业标准将支持更高功率水平的使用，这一新兴技术势必将促进新一代应用的出现。