采用单根100m CAT-5e电缆的以太网供电

由于以太网供电(PoE)能够以灵活和具成本效益的方法通过单根以太网电缆同时传输功率和数据，因此以太网供电得到了日益广泛的应用。这使得设备几乎可以随意地安装在任何地方，无需受到周围交流电源或电工进行安装的限制。最初的IEEE 802.3af PoE规范将供电至受电设备的功率限制在只有13W，这也就限制了设备的应用范围，例如：IP电话和基本的安保摄像机等。在2009年，IEEE 802.3at规范将支持的功率增加到25.5W。但是，这还是无法满足功率要求越来越高的PoE应用需求，比如：微微蜂窝基站、无线接入点、LED标牌和加热云台变焦(PTZ)室外摄像机等。在2011年，凌力尔特公司发布了新的专有标准LTPoE++，其将PoE和PoE+ 规范的供电功率扩展至90W，同时还维持与IEEE PoE标准的100%兼容。LTPoE++提供了一种安全和坚固的即插即用型解决方案，极大地降低了供电设备(PSE)和受电设备(PD)中的工程复杂性。与其他的功率扩展拓扑相比，LTPoE++的好处是其仅需单个 PSE和PD即可通过4对CAT5e电缆输送高达90W的功率，从而在空间、成本和开发时间上形成了明显的优势 (图1)。它支持4种不同的功率等级 (38.7W、52.7W、70W、90W)，因而可根据应用的要求来调整电源供电。

图1：典型的PoE系统

受电设备检测

在允许PSE对线路加电之前，其必须利用一个功率受限的探测电源来检查IEEE标准所规定的特征电阻。如果要被视作一个有效的特征，则PD必须看似25kΩ ±5%与120nF或更小电容的并联。反过来，PSE必须接受一个略宽的19kΩ至26.5kΩ特征电阻范围，以补偿系统中的寄生串联和并联电阻 (图2)。PSE必须拒绝任何特征电阻低于15kΩ或高于33kΩ、或者其终端上跨有大于10μF电容的设备。

图2：IEEE802.3af 特征电阻范围

PD特征阻抗允许具有一个高达1.9V的电压失调 (通常由多达2个串联二极管引起)，以及一个高至10μA的电流失调 (通常由PD中的漏电引起)。这些事项使PSE电阻测量变得复杂起来，因为单个V-I点测量将无法补偿此类误差。因此，PSE被要求至少取两个不同的V-I点 (在PD上至少分开1V)。然后，其必须计算两点之间的差异以找出真实的电阻斜率，并减去电压和电流失调。由于CAT-5电缆通常排布在天花板、墙壁及其他同样布有AC配线的地方，所以50Hz/60Hz噪声会很大。凌力尔特的PSE控制器通过采用一种专有的双模式、四点检测法来应对这一问题，其可确保针对正或负PD误检测的最佳抗扰能力。

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受电设备分级

一旦PSE成功地检测到一个PD，其将执行功率分级步骤。PSE必须随时了解所连接的PD数目和它们的功率分级等级，并在其功率预算耗尽时停止接受PD。分级特征的检查方法是：在 PD的两端施加介于14.5V和20V之间的电压并测量PD所吸收的电流。PSE采用测得的电流来确定该PD所属的类别。

LTPoE++使用了3事件分级方案，在PSE和PD之间提供互识别信号交换，同时保持了与IEEE 802.3at标准的后向兼容。通过PD对3事件分级方案的响应，LTPoE++PSE可确定PD是Type 1(PoE)、Type 2(PoE+)，还是LTPoE++设备。LTPoE++ PSE使用3事件分级方案结果来更新I_CUT和I_LIM门限。在另一端，LTPoE++ PD使用它接收到的分级事件号，确定其连接到的是Type 1、Type 2，还是LTPoE++ PSE。如果LTPoE++ PSE测量到PD的第一个分级事件电流是Class 0、Class 1、Class 2或Class 3设备，LTPoE++ PSE将把端口作为Type 1设备进行供电。否则，如果在第一个分级事件中识别到的是Class 4，那么LTPoE++ PSE会按照PoE+规范的定义继续第二个分级事件。这告诉PD，它连接至一个Type 2或LTPoE++ PSE。没有第二个分级事件表明了PD连接至一个Type 1 PSE，这被限制为Type 1供电。

Type 2 PD物理层分级由IEEE定义为两个连续Class 4结果。另外，LTPoE++ PD还必须在第一和第二个分级事件中显示两个连续的Class 4结果。

在第一和第二个分级事件中，在有效的Class 4测量之后，LTPoE++ PSE将迁移到第三个分级事件上。在两个成功的Class 4测量之后，执行第三个分级事件。第三个分级事件必须转换到一个不同于Class 4的其他级别，以把PD识别为支持LTPoE++。在第三个分级事件过程中，LTPoE++ PSE把维持Class 4的PD认为是Type 2 PD。对于所有的分级事件，IEEE 802.3at标准皆要求兼容型Type 2 PD重复Class 4响应。第三个分级事件告诉LTPoE++ PD，它连接至一个LTPoE++ PSE。表1示出了针对各种不同PD功率级别的分级事件排列。在第三个分级事件过程中，LTPoE++ PD给出一个Class 0-3的分级电流。这4种不同的级别向LTPoE++ PSE表明了LTPoE++ PD在其输入端上所需的最大功率。LTPoE++ PD输入端上的4种LTPoE++功率级(38.7W、52.7W、70W和90W) 对应于4种级别 (Class 0、Class 1、Class 2和 Class 3)。

表1：LTPoE++ 分级

DC断接

就像PSE必须只向有效的PD输送功率一样，在受电设备拔出之后，PSE也一定不得在其上留有电源，这是因为受电电缆随后有可能会被插入一个不期望供电的设备。LTPoE++ PSE采用了DC断接法，以根据从PSE流至PD的DC电流值来确定PD是否存在。当该电流保持在一个I_MIN门限 (介于5mA和10mA之间) 以下达到给定的时间t_DIS(300ms至400ms) 时，PSE即认为不存在PD并切断电源。

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全面整合

一旦某个PSE成功地检测到一个PD并对其进行了分级，随后就将决定是否给它上电。假如这个PSE的可用功率足以为该PD供电，那么就会对PD实施上电操作，并开始监视端口以及时了解DC断接情况。

现在，PSE掌握了全面的情况：检测序列告诉它有一个真实的PD连接至端口；分级例程告诉它PD将吸取多大的功率 (这样它就能相应地分配其供电资源)；而DC断接法则告诉它PD仍然存在并处于正常运作状态。反过来，PD运用一种简单明了的方法告诉PSE：它是什么、它需要多少功率、是否期望保持该功率的连续供应。所有这些动作都不会以任何方式对数据流产生影响。

LTPoE++一个重要的与众不同之处是：对于软件级功率协商，它不需要使用IEEE PoE+ 规范强制要求的链路层发现协议 (LLDP)。LLDP要求扩展标准的以太网堆栈，会产生很大的软件开发投入。LTPoE++ PSE和PD自主地协商功率级要求以及硬件级能力，同时保持了与基于LLDP解决方案的完全兼容。这样，LTPoE++系统设计人员就能够选择是否实现LLDP。专有的端到端系统有可能选择放弃支持LLDP。这将形成产品快速上市的优势，同时还可以进一步减低物料清单(BOM)成本、减小电路板尺寸并降低复杂性。

LTPoE++即插即用型解决方案

凌力尔特提供了1、4、8和12端口LTPoE++ PSE控制器，这些产品提供了业界最低的功率耗散、坚固的ESD和电缆放电保护功能、低组件数和成本效益型设计。当与LT4275 PD控制器配对使用时 (图3)，这个完整的即插即用型LTPoE++系统 (无需LLDP) 能够输送高达90W的功率，同时保持了与PoE+和PoE标准的完全兼容。整个解决方案采用了外部低R_DS(ON) MOSFET，以大幅度地减少总的PD热耗散并实现电源效率的最大化，这在所有的功率级别上都是很重要的。所有模拟引脚上的高绝对最大额定值以及具成本效益的电缆放电保护功能，可确保为器件提供针对大多数常见以太网线路浪涌的良好保护。总之，LTPoE++系统简化了功率输送，使得系统设计人员能够将其设计工作的重点放在其高价值应用上。

图3：LT4275 90W PD控制器采用外部MOSFET以提高电源效率

作者：Alison Steer

混合信号产品产品市场经理，凌力尔特公司