以太网供电关键技术在大功率设备的设计与应用

叶 晨，钱国明

(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

以太网供电关键技术在大功率设备的设计与应用

叶 晨，钱国明

(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

随着互联网通信终端设备的多元化发展，各类终端设备的功耗参差不齐，需要对终端设备功耗进行精确分级和可靠供电，这对有源以太网的供电技术提出了严格的要求，为此设计了一种适合在极端工作环境下的高稳定性以太网供电(PSE)装置。通过PSE电源管理芯片对受电设备进行设备检测、功率分级以及供电和状态监测管理，对关键控制信号进行抗噪声、抗浪涌、抗电磁干扰等处理，并对通信接口电路进行抗雷击设计。极端环境模拟测试表明，该PSE供电装置具有对终端设备功耗需求精确定级、抗干扰能力强、效率高、稳定性好、可靠性强、可恢复性高等优点，随着互联网终端设备对不同功率特别是大功率消耗的增加，能够有效解决不同终端设备的功耗需求。

节能环保; 以太网； 通信； 交换机； 大功率设备； 光耦隔离; 供电

0 引言

以太网供电技术是一种直接通过常用的5类或6类非屏蔽双绞线(unshielded twisted paired，UTP)或屏蔽双绞线等以太网线缆传输电源的供电技术。一个完整的有源以太网(power over ethernet，POE)系统包括供电设备端设备(power sourcing equipment,PSE)和受电端受电设备(power device，PD)两个部分[1-3]。PSE既是用来给其他设备供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者[4]。它可以分为端点设备和中间跨界设备两种。PD设备是接收供电的PSE负载，会消耗PSE的电能[5]。

现今，大部分 PSE是集成于以太网交换或路由等传统通信设备内部的一块单板(即端点设备)，通常采用主、从扣板的方式进行系统整合。PSE的作用是让传统的以太网交换或路由设备在实现原有常规通信的基础上，通过其数据传输线缆通道实现其下游设备的供电功能，能有效解决IP终端取电不便的困扰[6]。而随着当今IP通信终端产品种类多元化发展，各个终端设备的功耗参差不齐，特别是一些大功耗的终端设备的出现，势必对POE中的PSE供电部分提出了更高的要求。原有的符合IEEE 802.3af规范要求的PSE设备(最大的负载功率为12.95 W)不能完全满足现有的PD终端需求；另外从节能环保的角度来看，要对终端设备功耗需求进行精确分级定位，适应当今时代节能环保的发展趋势[7]。

1 PSE供电设备工作原理

在PSE正式向设备供电前，PSE会先用一个较小的电压来测量受电设备的特征电阻，这样可以避免将48 V工作电压直接加给非有源以太网的网络设备，有效保护网络设备的安全。在加电之前，PSE首先用较小的探测电压去侦测是否有PD接入[8]，接着会产生一个较大的电压来测量受电的网络设备功率级别。根据从线缆上所测量得到的恒定电流可知PSE所需的最大功耗，以确定PD属于哪个功率级别。成功侦测和分级后，PSE就可以通过5类或者超5类线缆向PD供电。

标准的5类线缆有2对数据双绞线、2对空闲双绞线，但实际用到的只有其中的2对。IEEE 802.3at标准允许2种用法:应用空闲对时，4、5脚接正极，7、8脚接负极；应用数据对时，将供电电压加在传输变压器的中点，实现供电和数据传输的同时进行，在这种方式下，线对1、2和线对3、6可以为任意极性，所以一般需要添加整流桥，避免因极性带来的故障。

2 系统硬件设计

PSE供电设备包括PSE电源管理单元、电源单元、微控制单元(microcontroller unit，MCU)、光耦隔离单元等。为了对PD受电设备进行设备检测、精确的功率定级、供电和状态检测及断电等操作，PSE供电应具有抗干扰性强、稳定性好、精度高等特点，能适应严重的电磁干扰、容易遭受到雷击或者浪涌等恶劣工作环境。PSE供电系统示意图如图1所示。

图1 PSE供电系统示意图

PSE供电设备的硬件设计选取了电源管理芯片BCM59121，其内部整合了ARM单片机微控制系统、10 bit ADC模数采样转换模块、BSC Broadcom串行控制总线、PASS-FET开关器件及控制模块和高精度无损电流采样电路。

2.1 PSE电源管理单元

PSE供电单元为下游PD端口供电。PSE通过供电端口反复侦测端口有没有PD在线，同时也在不停地侦测各端口的状态，并通过端口监测状态机将监测结果反馈到PSE端口控制器(BCM59121)自带的MCU进行处理。通过MCU处理后，数据被保存到其内部的特殊功能寄存器，供主板CPU通过BSC总线来访问。主板依据相关的特殊功能寄存器的状态作出相应的应答处理，并控制各端口作出相应的动作，包括：侦测PD在线，对PD分级电流的侦测，给端口供电，对端口过热、过流进行告警等。

BCM59121是博通公司的8口PSE接口功率电源管理芯片，为下游8个端口PD的监测、分组、供电提供服务，完全符合IEEE 802.3at规范标准，同时兼容IEEE 802.3af规范标准[9]。该芯片完成PSE端口的PD检测、对端口的分级、供电等常规功能的管理控制，同时也对PSE各个端口的工作状态，如温度、电压、电流、IC异常等情况进行检测。当情况出现异常时，BCM59121芯片通过串口经过光耦隔离与微控制器芯片M0516LCN进行通信。BCM59121由外部提供一个12 MHz时钟，供系统工作，ARM内部自带程序存储器，无需外部扩展ROM，可满足系统存放主控程序。单片PSE接口管理芯片可以提供8端口PSE输出及端口管理功能，根据供电PSE接口的多少，选取3个BCM59121[10]。微控制器M0516LCN与BCM59121之间通过I2C总线通信。

2.2 防护电路

PSE端口差模防护电路如图2所示。

图2 PSE端口差模防护电路

该电路的防护主要通过二极管的正向导通来保护后级的芯片，一般可以承受7 kV以下的接触静电放电。利用二极管的ESD实现防护设计，成本低、设计方案简单可靠，同时可以实现较高量级的抗ESD和抗浪涌防护。这种方式适用于各种低成本、较高密度、应用在易产生静电的恶劣环境下的产品防护设计[11]。

在差模防护的基础上，增加压敏电阻进行共模防护，压敏电阻RV规格选用82 V耐压(FNR-05K820),电流能力为400 A。保险丝为2 A的抗浪涌型保险管。

2.3 MCU控制单元

NuMicro M051系列是以ARM®CortexTM-M0为内核的32位微控制器。 而其中的M058/M0516工作频率高达50 MHz，可应用于各类工业控制[12]。M058/M0516内嵌有多种Flash存储器、SRAM存储器，并自带多种外设，如I/O端口、 外部总线接口、定时器、UART、 SPI、I2C、PWM、ADC，看门狗定时器检测和欠压检测，以减少系统外围元器件数量，节省电路板空间和系统成本。

本设计采用M0516LCN作为PSE供电设备的微控制器，MCU读取PSE端口状态信息和下发PSE端口相关配置；与BCM59121之间通过I2C总线来相互通信，将MCU配置成主机工作模式。3片BCM59121均工作在从机模式。

2.4 光耦隔离单元

光耦器件是一种光/电和电/光的转换器件。当电信号进入驱动端时，驱动端的发光二极体发光，输出端的光敏三极管相应产生电流；或者当驱动端输入为低电平时，光敏三极管截止，输出端输出高电平；反之，当驱动端输入高电平时，光敏三极管导通，输出为低电平。

由于干扰源阻抗远大于光耦的输入阻抗，所以即使干扰电压幅值较大，但实际上光耦驱动端的电压非常小，从而使输出端产生的电流也非常小，不足以使驱动端的发光二极管正常发光，这就使得光耦能够有效滤除干扰源。另外驱动和输出之间没有任何电气联系，两者之间的阻抗无穷大，使得输出端的各种干扰信号难以耦合至驱动端，避免了共阻抗耦合干扰信号的产生，同时也能承受几千伏的高压，达到保护电路的作用。

设计过程中，由于一些信号传输距离较长，信号间很容易产生串扰，致使信号失真。另一方面，设备之间的地并非完全一致，所以势必会产生一定的环路电流，在电路中形成共模干扰。所以针对这些问题，采用TLP521-1和6N136S光耦隔离芯片对几个关键信号进行光耦隔离，以提升设计的抗干扰能力。

2.5 系统电源单元

系统采用分布式电源设计。分布式电源设计存在两级电源转换，单板所需的48 V电源由隔离式电源模块提供；第二级采用DC/DC电源实现48 V到3.3V的电源转换[13-14]。本设计采用LM34923降压型DC/DC稳压器，采用其导通时间与线路电压成反比的控制方案。基于比较器和导通时间单稳态，将输出电压反馈与内部基准(2.5 V)相比较。如果FB电平低于参考值，降压开关导通一个由线路电压和编程电阻(RT)决定的固定时间。在导通周期之后，开关保持260 ns的最小关断定时器周期。如果FB仍然低于此时的参考值，则开关再次导通另一个导通时间段，直到实现调节。产生的输出纹波电压主要是由电感纹波电流和C94的特性决定，以保证输出电源的质量。通过R68和C69产生锯齿电压波形，并且该电压经由C70交流耦合到FB引脚。各元器件取值可以通过如下计算:

(1)

式中:USW为关断时间期间SW引脚电压的绝对值，如果将肖特基二极管用于反激功能，则关断时间电压在0.5～1 V范围内，具体取决于所使用的具体二极管和最大负载电流；UA为R68/C69结点处的DC电压。

电源模块原理图如图3所示。

图3 电源模块原理图

R68和C69可以通过以下计算选取:

R68×C69=(UIN(min)-UA)×tON/ΔU

(2)

式中:tON为最大导通时间(在最小输入电压)，且ΔU为R68/C69结点处(通常为40～50 mV)的期望纹波振幅。

从标准值组分中选择R68和C69以满足上述要求，通常C69为1 000～5 000 pF，R68为10～300 kΩ，而C70比C69大很多，一般选用0.01 μF。

设计过程中，在输出电源端增加了LC滤波器、去耦电容、旁路电容、磁珠等，以便滤除和吸收噪声。

输出电压值的计算公式为:

UOUT=2.5×(R66+R72)/R72

(3)

3 实物及测试数据

为进一步降低高速信号干扰问题，BCM59121芯片的背面(即对应的顶层相应位置)不放置任何器件，包括芯片电源脚的退耦电容也不放置在BCM59121背面，退耦电容靠近IC电源脚。48V电源供电是来自外接的48V电源模块，一般可能会带来很多噪声。在本设计满配置的情况下，电流很大，所以在该层敷设专门的48V电源层，同时在顶层或底层为48V电源线留出足够的宽度。

PSA1200测试仪是SIFOS公司生产的专业POE测试仪器，也是业内普遍使用的POE测试仪。其覆盖了所有802.3af标准要求测试的项目。在插入3000系列子卡(PSA-3102)时，也可以测试符合802.3at标准的POE供电设备，并覆盖95%以上的测试项目[15]。利用PSA1200测试本设计，得出的结果完全符合802.3af标准。

将本系统与市场上兼容24口PSE供电的POE交换机进行综合测试，PSE扣板通过串口和PC机相连，调节电子负载不同的电流负载，在PC机上读出分级结果。分级标准及测试结果如表1所示。

表1 分级标准及测试结果

PSE供电设备所有端口均为PD设备供电，用电流探头测试PSE输出电源线的电流值；用示波器测试PSE输出电源处的电压值；用测得的电压值乘以电流值，得出PSE产品功耗以及所提供的功耗。功耗结果如表2所示。

表2 功耗结果表

4 结束语

本PSE供电设备设计选用BCM59121的PSE电源管理芯片，遵循IEEE 802.3at标准，满足大功耗PD受电设备的功耗需求，远远超过IEEE 802.3af标准所规定的每个端口最大提供12.95 W的负载功率。选用分布式电源架构，采用两级电源转换限制电路中的纹波噪声，节省电源占用面积，并设计有光耦隔离，提高了通信的可靠性。通过精确测试可知，与市场上相关产品相对比，本设计更具有可靠性、实用性和节能性，完全可以适用于大功耗PD受电设备。

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Design and Implementation of Application of the Key Technology of Power over Ethernet for High Power Equipment

YE Chen,QIAN Guoming

(School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

With the diversified development of the Internet communication terminal equipment,the power consumption of various kind of terminal equipment is uneven,so it is necessary to accurately classify the power consumption,and reliably supply power for equipment.This,bring strict requirements for the technology of power over Ethernet,for such purpose,the highly stable power sourcing equipment (PSE) that suitable for working in the extreme environment is designed.Through PSE power management chip,the detection,power classification,and state monitoring and management of the powered device (PD) can be conducted.In addition,the processing of anti-noise,anti-surge,and anti-electromagnetic interference,etc.,can be done for the key control signals,and the anti-lightning is designed for the communication interface circuit.The test of extreme environment simulation shows that the PSE proposed has many advantages,such as accurate classification of the power consumption of terminal equipment,high anti-interference capability,high efficiency,high stability,high reliability and high recoverability,it can also satisfy the power consumption requirement of different terminal equipment,especially the high power consumption equipment of the Internet terminal equipment.

Energy saving and environment protection; Ethernet; Communication; Exchanger; High-power machine; Optocoupler isolation; Power supply

叶晨(通信作者)，男，在读硕士研究生，主要从事电子通信产品硬件开发方向的研究。E-mail:18070062190@163.com。 钱国民(1964—)，男，硕士，教授，主要从事无线通信技术和信号处理方向的研究。E-mail:382328476@qq.com。

TH-39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705014

修改稿收到日期:2017-02-04