低功耗IP电话及VoIP设备的电源管理

1 概述

既然媒体相关接口 (MDI) 供电添加到了 IEEE 802.3af 标准，那么数据终端设备 (DTE) 便可以通过现有数据传输线缆获得电源。IEEE 802.3af 标准对通过现有线缆提供和接收电源的相关要求进行了定义。供电设备 (PSE) 通过线缆提供电源，而用电设备 (PD) 则接收电源。

2 供电设备检测

用电设备 (PD) 通过参与 PD 检测算法[1]来吸收电源或者请求电源。该算法要求供电设备 (PSE) 探测搜索有效 PD 的链接。PSE 通过在电源线上发送一个 2.7V 和 10.1V 之间的电压来探测这种链接。一个有效的 PD 检测到该电压，然后在电源线上设置一个额定 25k 欧姆的电阻。由于电压在 2.7V 和 10.1V 之间变化，V-I 斜率从 12k 欧姆变为 45k 欧姆。额定 25k 欧姆检测电阻条件下这一范围内的任何斜率都为一个有效的 PD 信号。检测这种电流时，PSE 断定在以太网线缆端连接了一个有效 PD 并且正请求电源。

在检测阶段之后，PSE 可以选择初始化一个 PD 类别。PSE 使用 PD 类别来确定正常运行期间 PD 要求的最大电源。表 1 列出了 5 种不同的类别层次。

表 1 用电设备类别层次

类别      使用        电源设备功率 (W)        分级电流 (mA)
                            最小       最大            最小        最大
0          默认         0.44       12.95            0            4

1         可选          0.44       3.84              9           12

2         可选          3.84       6.49             17          20

3         可选          6.49       12.95           26          30

4       不允许           留作以后使用              36          44

PSE 可以分类 PD，但只能在检测到一个有效 PD 以后才可以实现。为了确定 PD 类别，PSE 在 14.5V 和 20.5V 之间升高电源线的电压。PD 吸收的电流量决定该类别（参见表 2）。

3 用电设备控制器的选择

IEEE802.3af 规范对通过线缆为 PD 安全供电以及断开 PD 时移除电源的方法进行了定义。IP 电话易受静电放电 (ESD)、浪涌电流、EMI 和线路瞬态的影响。使用用电设备控制器（例如：TPS2375）可以通过限制开发 IEEE 802.3af 兼容用电设备所需所有特性来提供保护。在选择一种用电设备时，需记住更高的 VDD 到 VSS 额定电压帮助保护 IP 电话免受破坏性瞬态的损害[3]。最大持续电压可以高达 57V，但是瞬态会高得多。如果用电设备控制器的最大额定电压高达 100V，则设计人员可以使用一个低成本的瞬态抑制齐纳二极管。否则，需要一个更高质量的输入瞬态电压抑制器来最小化输入尖峰。在初次开启过程中，流涌电流出现在输入电容充电期间。用电设备控制器必须将这种流涌电流限制在 50ms 的 400mA 以下。如果需要一个大于 180uF 的输入电容，请确定选择了正确的电流限制阈值。考虑 ESD 并选择一个可以满足 15-kV 系统级 ESD 要求的用电设备是很重要的。另外，需要一些输入二极管桥接来支持数据线以及两种极性的备用线对以太网电源连接，同时还需要一个 EMI 滤波器来确保与以太网数据信号的噪声兼容性。

4 系统总线电压的选择

设计 POL 构架的下一步是选择一种 DC/DC 拓扑和额定总线电压。在 PoE 应用中，隔离式反向或正向转换器比同步或非同步降压转换器要更为流行，因为它们提供了隔离层，拥有较宽松的低电压限制，并可通过一个附加变压器绕组提供多个输出电压。另一方面，降压转换器更容易设计，因为它们要求一个电感而非变压器。但是，它们在调节低电压（例如：将 57V 输入调节为 3.3V）时可能存在问题，因为存在最小导通时间限制。

PoE 应用中更为流行的总线电压轨是 12V、5V 和 3.3V。大多数设计人员都会选择 12V 电压轨，因为没有了增压转换需求。另一方面，如果 IP 电话中所需的最高电压仅为 5V，则选择 5V 为主电压总线轨较为理想。

5 负载点 DC/DC 转换

尽管该标准在 PSE 输出端允许 15.4W，但在 PD 仅 12.95W 可用，因为以太网线缆的极端功率下降。因此，在设计一个负载点构架时，功效是一个重要的考虑因素。表 2 列出了典型 IP 电话功耗的评估。在表 2 所示举例中，总功耗稍稍高于 7W。

如果忽略不计，功率转换比在功率预算中起主导作用，其贡献最大。所有未使用能量都转换为热，然后在 PCB 上耗散，最终散发到空气中。开关调节器拥有 90% 以上的高效率，但如果电路板设计较差，则会要求一个外部电感，并会带来开关噪声问题。市场上的许多新型 DC/DC 开关调节器都拥有简化设计的集成 MOSFET，并且通过低成本陶瓷电容器来实现稳定，从而节省电路板空间。

表 2 IP 电话估计功耗

                                        功耗

LED 背光                            0.60

LCD 面板/数显                     0.20

SOC（0.7-1.2W）               1.00

闪存                                   0.10

DRAM                                0.50

双千兆网 PHY（1.2-2W）      1.20

音频（1.5W 扬声器）            1.00

Misc.（时钟等）                   0.10

小计功耗                             5.70

电源管理 75% 效率              1.43

总功耗                                7.13

线性稳压器拥有低噪声和小电路板空间，因为旁路元件 (pass element) 不进行开关，并且不需要电感。一些新型线性稳压器已经得到使用，只要有偏置电压，它们便可接受低输入电压并提供低输出电压。例如，现在，只要可以使用 3.3V 为线性稳压器的电路供电，便可将 1.8V 轨转换为 1A 下的 1.5V。这种情况下，83% 的效率得以实现。

6 结论

设计 IP 电话电源解决方案并通过以太网线缆供电与使用标准 AC/DC 墙上适配器之间的权衡对比提出了一些设计挑战。本文决不是要代替 IEE802.3af 规范，而是通过一些简单的设计实例，在 IP 电话中实施一种用电设备解决方案，从而实现在适用情况下利用以太网线缆获得电源的诸多好处。