高功率PoE系統設計方案

摘要 以太網供電標準IEEE802.3af定義的48 V最高12.95 W的功率限制，制約了高功率網絡設備的接入。本文設計了一種兼容標準最高25 W的可監控以太網供電系統，重點介紹了此系統的軟硬件設計實現過程；并給出了PD控制器的設計原理，以及在RFID系統中的應用。

關鍵詞? 以太網供電? PoE? PSE? TPS23841? TPS2376-H

　　IEEE802.3af標準的制定推動了以太網供電技術的使用，而TI公司推出的兼容標準的高功率供電管理芯片TPS23841和TPS2376H，很好地解決了25 W以內網絡設備的接入問題。本文基于以上兩種芯片設計出兼容標準的高功率以太網供電系統。

1? IEEE802.3af標準簡介[1]

　　IEEE802.3af標準定義了一種允許通過以太網在傳輸數據的同時輸送48 V直流電源的方法,它將以太網供電（Power over Ethernet，PoE）技術引入到現有的網絡基礎設施中，最大傳輸距離為100 m。PoE由供電設備PSE和受電設備PD組成。PSE分為端接式和中跨式兩種類型，主要實現對PD的檢測、功率分級（可選）、供電和斷電等功能；PD主要作為標準識別設備，返回各種符合標準的信號以及持續工作信號，從而完成整個供電過程。

2? PSE系統結構組成[23]

　　PSE主要實現上述電源管理功能，系統由硬件和軟件兩部分構成。PSE系統結構如圖1所示,16位單片機MSP430F147通過模擬I2C總線對TPS23841內部寄存器進行讀/寫，來實現電源管理功能；通過P4.0設置TPS23841的工作模式；通過P2.7獲得出錯信號，從而通過P4.2對TPS23841產生有效的復位信號。系統中對必要的信號及電源進行了隔離，MSP430F147通過UART接口經MAX13085轉換為RS485電平后與供電監控PC機通信，當沒有與PC機連接時系統會自主運行。

　　TPS23841的工作電壓范圍為21.5~57 V,比IEEE802.3af標準定義的電壓范圍大得多。也就是說，TPS23841可以提供上述電壓范圍的供電，這使得以太網供電技術可以應用在醫療、工業等24 V的供電系統中。同時，可以通過提高輸入電壓的方法將傳輸功率提高到25 W，供電可以通過1/2、3/6或者4/5、7/8號線對傳輸到遠端PD。在特殊情況下也可以通過4個線對同時傳輸供電，這樣可以獲得更高的傳輸功率。 交流斷路檢測電路用來產生交流斷路檢測信號，地址設置電路用來設置TPS23841的I2C設備地址，通過設置不同的地址可以接入多個TPS23841，從而達到擴展供電端口的目的。MSP430F147通過內部集成的溫度傳感器實時監控系統工作溫度，當過熱時啟動風扇散熱。

圖1? PSE系統結構圖

3? PSE的硬件設計

　　PSE的供電管理功能主要由TPS23841實現。TPS23841運行時內部工作所需的10 V、6.3 V和3.3 V由外部供電產生，每個供電端口可以提供高達570 mA的電流，而對每個PD可以提供最高25 W的功率。TPS23841內部集成了4個獨立的15位A/D轉換器，用來測量每個口的電阻、電壓、電流,可以更加精確地實現供電管理功能。如圖2所示，PSE的硬件電路主要由TPS23841及其外圍電路組成。在4個供電回路中加入自恢復保險絲來實現過流保護的功能，通過加入瞬間電壓抑制器實現過壓保護的功能，由50、51腳引出的電路產生交流斷路檢測信號，在各供電端口加入了顯示電路。I2C的5位地址由外部撥碼開關S1設置，三線I2C總線經過光耦隔離后連接成為標準的兩線I2C總線。在PSE系統中，通過對MSP430F147編程來實現電源的高級管理功能。

圖2? PSE硬件原理圖

圖3? PSE運行控制流程

4? PSE的軟件設計[23]

　　TPS23841內部集成了標準的I2C模塊， MSP430F147通過I2C通信實現高級電源管理功能。TPS23841具有3種工作模式，分別為自動模式（AM）、半自動模式（SAM）和供電管理模式（PMM）。AM模式下，TPS23841不需要微控制器控制，自動實現對PD的檢測、分級和供電等功能，此模式下采用DC斷路檢測法檢測PD是否斷開；在SAM模式下，TPS23841運行在AM模式下，但可以通過I2C總線來讀取所有狀態寄存器和A/D寄存器的內容，并且可以不需要微控制器參與而自動完成對PD的檢測；在PMM模式下，可以執行AC斷路檢測，并且可以獲得每個PD的電壓與電流參數，供電管理更加靈活。當TPS23841工作在SAM和PMM模式時需要微控制器MSP430F147來完成整個供電管理過程。PSE的運行控制過程如圖3所示。控制程序主要實現系統初始化、控制TPS23841、與PC通信，以及對數據進行封裝與解析等功能。當沒有與PC機連接時，設置TPS23841工作在AM模式下，TPS23841將自主運行；當與PC機連接時，系統將按照用戶的要求將 TPS23841設置為相應的工作模式，在SAM和PMM模式下，能夠采集到各個端口的運行參數，在PMM模式下可以對各個端口的供電進行控制。系統最后將采集到的數據封裝后通過RS485發送到PC機。

圖4? PD設計原理圖

5? PD的設計與實現[4]

　　TPS2376H是TI公司推出的兼容標準的高功率PD控制器，PD的設計原理如圖4所示，整流橋做極性保護用，瞬間電壓抑制器D1用來消除過壓造成的損害。當作為標準PD設計時，TPS2376H的外部檢測電阻、分級電阻按照標準定義的參數進行設置。當作為高功率PD設計時，PSE需要提供52~57 V的供電電壓，TPS2376H的分級電阻需要設置為標準定義的備用級別4級。此時PD可以接收TPS23841傳送的最高25 W的功率，高功率傳輸可以通過提高傳輸電壓來獲得，同時也可以通過以太網線的4個線對供電，這樣傳輸的功率是兩線對傳輸功率的2倍。兩種方式有各自的優點。兩線對供電用在IEEE802.3af系統中，一線對用來傳輸電流，另一線對用來作為回路，其余兩個線對不傳輸供電，是一種最簡單的實現方法，但是對于不供電的兩個線對卻不能很好的利用，這是一種損失。四線對供電降低了電纜的阻抗，但卻增加了線對的電流平衡問題，不同的隔離變壓器阻抗、電纜、連接器和PD方的整流橋都會導致供電線對的電流不平衡，PD端可以通過2個獨立的DC/DC轉換器來解決這個問題，在24 V的供電系統中為了防止誤分級PSE應選擇不分級操作。PD后端采用LT1074HVIT將電壓轉換為設備工作需要的5 V或3.3 V電壓，LT1074HVIT的輸入電壓為10~60 V，輸出電流最大為5 A，輸出電壓可以根據Vout=2.21×(1+R1/R2)來進行設置。

6? PoE在RFID系統中的應用

　　在RFID應用系統設計時，讀寫器的供電問題是必須要考慮的，對基于以太網通信的讀寫器來說，采用以太網供電技術將大大降低讀寫器的成本。在實際應用中將PSE系統和交換機集成在一起設計出了端接式PSE（即PoESwitch），使得應用更加靈活方便。典型應用如圖5所示。

圖5? PoESwitch在RFID系統中的應用

　　當PoESwitch偵測到讀寫器、無線接入點為合法的PD后，將執行可選的分級操作，之后將向它們供電，同時由監控PC上的PSE終端監控軟件完成對各個供電端口的監控。

結語

　　本設計采用MSP430F147單片機和以太網供電管理器TPS23841、TPS2376H開發了兼容IEEE802.3af標準的高功率PoE系統。此系統也可應用在醫療、工業等21.5～57 V、最高功率為25 W的供電環境中，具有良好的兼容性。