1 概述：

 

定義：PoE全稱Power Over Ethernet，是指10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T以太網網絡供電，即數據線和電源線在同一根網線上傳輸，其可靠供電的距離最長為100米。

 

PoE供電系統(tǒng)包含兩種設備PSE和PD，PSE（power-sourcing equipment），主要是用來給其它設備進行供電的設備，PD（power device），在PoE供電系統(tǒng)中用來受電的設備。

 

2 POE主要供電特性

 

2.1 PSE特性參數：

 

（1）電壓在44~57V之間，典型值為48V

 

（2）允許最大電流為550mA，最大啟動電流為500mA

 

（3）典型工作電流為10~350mA，超載檢測電流為350~500mA

 

（4）在空載條件下，最大需要電流為5mA

 

2.2 PD功率等級

 

PD功率等級分為CLASS 0、CLASS 1、CLASS 2、CLASS 3、CLASS 4、CLASS 5

 

CLASS 0 設備需要的最高工作功率為0.44W ~12.95W

 

CLASS 1 設備需要的最高工作功率為0.44W ~3.84W

 

CLASS 2 設備需要的最高工作功率為3.84W ~6.49W

 

CLASS 3 設備需要的最高工作功率為6.49W ~12.95W

 

CLASS 4 設備需要的最高工作功率為12.95W ~25.5W

 

CLASS 5 設備需要的最高工作功率為>25W

 

設計師可以根據功率要求將他們的設備指定為特定的級別。

 

2.3 POE供電的工作過程

 

在分級階段，PSE將向PD施加15～20V的電壓，并通過測量電流大小來確定PD的特定級別。在此階段，PD的電源部分將被欠壓鎖定(UVLO)電路維持在無源狀態(tài)，以便隔離開關級，直至特征和分級階段完成。一旦分級完成后，PSE將會向PD提供全額工作電壓。

 

當在一個網絡中布置PSE供電端設備時，POE以太網供電工作過程如下所示：

 

檢測：

 

首先PSE會發(fā)送一個測試電壓給在網設備以探測受電設備中的一個24.9kΩ共模電阻。測試信號開始為2.5V，然后提升到10V，這將有助于補償Cat-5電纜自身阻抗帶來的損失。因為這種電纜最長可達100m。如果PSE檢測到來自PD的適當阻抗特征(24.9kΩ)，它便會繼續(xù)提升電壓。如果檢測不到特征阻抗，PSE將不會為電纜加電。受電設備電路中的齊納二極管會保證系統(tǒng)其余部分不受測試信號的干擾。

 

PD端設備分類：

 

當檢測到受電端設備PD之后，PSE將向PD施加15～20V的電壓，并通過測量電流大小來確定PD的特定級別。如果除了探測到第一級的電阻外沒發(fā)現其他分級電路，該設備被定義成零級別。在此階段，PD的電源部分將被欠壓鎖定(UVLO)電路維持在無源狀態(tài)，以便隔離開關級，直至特征和分級階段完成。

 

開始供電：

 

分級完成后，在一個可配置時間(一般小于15μs)的啟動期內，PSE設備開始從低電壓向PD設備

 

a)供電，直至提供48V的直流電源。

 

b)供電：為PD設備提供穩(wěn)定可靠48V的直流電，滿足PD設備不越過12.95W的功率消耗。

 

c)斷電：若PD設備從網絡上斷開時，PSE就會快速地(一般在300～400ms之內)停止為PD設備供電，并重復檢測過程以檢測線纜的終端是否連接PD設備。

 

3 POE電源模塊簡介

 

本次POE電源模塊采用MAX5969B和MAX5974A芯片來實現，功率等級為CLASS 4的POE電源。POE電源模塊的電路拓撲結構采用反激式變換器實現，運用變壓器原邊反饋穩(wěn)壓以及副邊同步整流技術。輸入電壓范圍在36V~57V之間，輸出電壓穩(wěn)點在5V，具有過壓保護、過流保護等特點。如圖1所示為POE電源的原理圖。

 

 

3.1 POE電源模塊芯片

 

芯片MAX5969B為用電設備（PD）提供符合以太網供電（PoE）系統(tǒng)IEEE802.3af/at標準的完整接口。MAX5969B為PD提供檢測信號、分級信號以及帶有浪涌電流控制的集成隔離功率開關。發(fā)生浪涌期間，MAX5969B將電流限制在180mA以內，直到隔離功率MOSFET完全開啟后切換到較高的限流值（720mA至880mA）。器件具有輸入UVLO，帶有較寬的滯回和長周期干擾脈沖屏蔽，以補償雙絞線電纜的阻性衰減，確保上電/掉電期間無干擾傳輸。MAX5969B輸入端能夠承受高達100V的電壓。

 

MAX5969B芯片特性如下：

 

（1）兼容于IEEE 802.3af/at

 

（2）2級事件分級

 

（3）簡易的墻上適配器接口

 

（4）0至5級POE分級

 

（5）100V絕對最大額定輸入

 

（6）180mA最大浪涌電流限制

 

（7）正常工作期間電流限制在720mA至880mA

 

（8）電流限制和折返式保護

 

（9）傳統(tǒng)的36V UVLO (MAX5969A)

 

（10）IEEE 802.3af/at兼容、40V UVLO (MAX5969B)

 

（11）過熱保護

 

（12）增強散熱的3mm × 3mm、10引腳TDFN封裝

 

如圖2所示為MAX5969B的引腳圖，接下來簡要介紹下每個引腳。

 

圖2 MAX5969B引腳圖

 

表1 MAX5969B引腳簡介

 

芯片MAX5969B工作過程的簡單介紹，MAX5969B有4種不同的工作模式：

 

PD檢測、PD分級、標記事件和PD供電模式。檢測模式是用來檢測設備是不是PD設備；分級模式是用來給PD設備確定輸入功率為多大；標記事件一般用于2級分級模式檢測；供電模式為正式給PD設備供電。

 

當輸入電壓在1.4V和10.1V之間時器件進入PD檢測模式；當輸入電壓在12.6V和20V之間時，器件進入PD分級模式；一旦輸入電壓超過VON，器件則進入PD供電模式。

 

檢測模式（1.4V≤ VIN ≤ 10.1V）:

 

檢測模式下，PSE向VIN施加1.4V至10.1V范圍(最小步長為1V)的兩個電壓，并記錄這兩點處的電流測量值。然后，PSE計算DV/DI以確保連接了24.9kΩ特征電阻。在VDD和DET之間連接特征電阻(RDET)，以確保正確的特征檢測。檢測模式下，MAX5969B將DET拉低。當輸入電壓超過12.5V時，DET變?yōu)楦咦钁B(tài)。檢測模式下，MAX5969B的大多數內部電路都處于關斷狀態(tài)，偏置電流小于10μA。

 

分級模式(12.6V≤ VIN ≤ 20V) ：

 

分級模式下，PSE根據PD所需的功耗對PD進行分級，使PSE能夠有效管理功率分配。0至5級的定義可通過查看數據手冊知道(IEEE 802.3af/at標準僅定義了0至4級，5級用于特殊要求)。CLS與VSS之間連接一個外部電阻(RCLS)，用于設置分級電流。PSE通過向PD輸入施加電壓并測量PSE輸出的電流來確定PD的級別。當PSE施加的電壓在12.6V和20V之間時。PSE使用分級電流信息來對PD功率要求進行分級。分級電流包括RCLS吸收的電流和MAX5969B的電源電流。所以PD吸收的總電流在IEEE 802.3af/at標準的指標范圍之內。當器件處于供電模式時，則關閉分級電流。

 

供電模式(喚醒模式)

 

當VIN上升到欠壓鎖定門限(VON)以上時，MAX5969B進入供電模式。當VIN上升到VON以上時，MAX5969B開啟內部n溝道隔離MOSFET，將VSS連接至RTN，內部浪涌電流限制設置為135mA (典型值)。當RTN處的電壓接近VSS并且浪涌電流降至浪涌門限以下時，隔離MOSFET完全開啟。一旦完全開啟隔離MOSFET，MAX5969B將電流限制更改為800mA。在功率MOSFET完全開啟之前，電源就緒開漏輸出(PG)保持為低電平，持續(xù)時間至少為，以在浪涌期間禁止后續(xù)的DC-DC轉換器。

 

芯片還有一些其它的工作狀態(tài)，例如欠壓鎖定、熱關斷保護、墻上電源適配器檢測和工作等。

 

芯片MAX5974A為寬輸入電壓范圍、有源鉗位、電流模式PWM控制器，用于控制以太網供電(PoE)的用電設備(PD)中的正激轉換器。MAX5974A適用于通用或電信系統(tǒng)的輸入電壓范圍。芯片MAX5974A獨特的電路設計能夠在不需要光耦的前提下獲得穩(wěn)定的輸出。

 

MAX5974A有很多特性，以下簡要介紹幾個：

 

（1）峰值電流模式控制、有源鉗位、正激PWM控制器

 

（2）無需光耦即可獲得穩(wěn)壓輸出

 

（3）100kHz至600kHz可編程、±8%抖動控制的開關頻率，可同步至高達1.2MHz

 

（4）可編程頻率抖動，支持低EMI、擴頻工作

 

（5）可編程死區(qū)時間、PWM軟啟動、電流斜率補償

 

如圖3所示為芯片的引腳圖。

 

圖3 MAX5974引腳圖

 

表2 MAX5974A引腳簡介

 

 

3.2 輸入電路以及輸出電路簡介

 

輸入電壓取自于網絡端口的48V電源，輸入電壓經過兩個整流橋D1、D2，其中D26是一個瞬態(tài)抑制二極管SMBJ54A用來保護輸入過壓。

 

輸出電壓通過反激變壓器的副邊整流后得到，由于整流后脈動電壓較大，所以會在整流后添加輸出濾波電容，輸出濾波電容一般會選擇幾個大電容再加一個小電容并聯(lián)，大電容起到儲能和濾波的作用，小電容用來高頻去耦，幾個電容并聯(lián)可以將輸出電阻降到最小。本模塊POE電源選擇3顆封裝為1206，容值大小為47uF的陶瓷電容。反激變壓器選擇SIR412DP開關管實現有源整流，利用變壓器副邊繞組來獲得驅動電壓，這樣變壓器原邊就不需要消磁電路或者吸收電路，而是把能量用來驅動SIR412DP開關管，實現同步整流技術。開關管的漏極和源極并聯(lián)RCD吸收電路，用來抑制開關管漏源端的電壓尖峰而達到保護開關管的目的。雖然說MOSFET的是一種壓控壓型的開關管，但是對于開關管開通和關閉都是給開關管的寄生電容充電來打開或關閉，這就需要一定的驅動電流。所以在驅動電路中串聯(lián)一個10歐姆的電阻。

 

3.3 芯片外圍電路簡介

 

芯片MAX5969B主要作用體現在剛剛上電的時候和PSE供電模塊用來通信的芯片，對于每一個POE電源來說，這種類似的芯片是必不可少的。市面上有些號稱是POE電源的往往只是把48V的電壓變成5V或者其它的電壓，在上電的時候并沒有檢測、分級的階段，這對于受電設備來說是危險的。檢測電源是POE電源還是非POE電源的一般方法是，拿萬用表測量供電腳，一般是網絡端口的4,5、7,8腳，如果端口輸出是穩(wěn)定的48V電壓，這說明電源是非POE電源；如果測量的電壓在2~10V跳動，則說明電源是POE電源，電壓跳動是在對PD端進行檢測。

 

芯片MAX5969B的VDD是電源引腳，VDD和VSS之間接有0.1uF的電容用來旁路，電容C7和C13用來儲能和濾波。

 

DET接一個24.9K的電阻到Vin，這個電阻是特征電阻不可更改，要是把這個電阻的阻值改變了，POE電源工作會不正常。

 

VSS引腳是接輸入整流過后的地端，VSS內部通過MOSFET管和變壓器原邊的接地端相連。當芯片處于檢測與分級階段時候，內部MOSFET處于斷開的狀態(tài)。

 

RTN引腳接變壓器原邊的地端，是后繼DC-DC的功率地端。

 

WAD引腳是用來接墻上適配器電源供電，本模塊的POE電源沒有用上墻上適配器，但是在電路設計的時候也考慮到了，只是沒有焊接相關器件。

 

PG引腳內部是MOSFET漏極輸出，在芯片內部的MOSFET完全開啟之前，PG保持為低電平，PG端接MAX5974A的使能端，故PG在保持低電平期間，MAX5974A是處于不工作狀態(tài)。PG外接1nF的電容旁路。

 

2EC引腳是2級事件檢測腳，本模塊沒有用上直接上拉100K電阻到RTN，以防PD設備處于2級狀態(tài)時，2EC引腳有一個回路。

 

CLS引腳是分級電阻輸入引腳，CLS引腳接多大電阻到VSS地端，就決定了POE電源是處于哪一級?？刹榭磾祿謨灾斀?0.9歐姆電阻時，PD設備設置為4級電路狀態(tài)，也就是說PD設備要消耗12.95-25.5W的功率。

 

芯片MAX5974A是一款電源管理芯片，芯片內部集成了許多功能，只要根據芯片數據手冊推薦的外圍電路搭建方法，只需簡單的配置些電容和電阻很快就可以設計出一塊電源模塊。接下來將介紹芯片每個引腳外圍電路的搭建，來更好的理解芯片以及反激式開關電源。

 

DT引腳是用來設置死區(qū)時間的，由于MAX5974A這款芯片提供了兩個柵極驅動器輸出，一個是NDRV主開關柵極驅動器輸出，是用來驅動變壓器原邊是處于斷開狀態(tài)還是出來接通狀態(tài)。一個是AUXDRV是用來給變壓器副邊開關管實現同步整流的驅動信號，由于變壓器原邊開關管和變壓器副邊開關管不能夠同時開啟，盡管NDRV和AUXDRV是互補輸出的，但是由于開關管本身的開通和關斷過程不理想，在開通和關斷的時候有一定的時間延遲，故此需要添加一定的死區(qū)時間。死區(qū)時間設置時間在40ns至400ns之間，死區(qū)時間的設置是通過外接一個電阻到RTN地端，具體多大的電阻設置多長的死區(qū)時間，可通過如下公式得到：

 

 

本模塊選擇=27KW，死區(qū)時間就為108ns，對于這個死區(qū)時間已經足夠了，因為本次使用的MOSFET的延遲時間都在40ns以內。

 

DITHER/SYNC引腳為頻率加抖編程或者同步連接引腳。在DITHER/SYNC和RTN地之間連接一個電容，在DITHER/SYNC和RT之間連接一個電阻，可以在范圍內對轉換器的開關頻率加抖，從而降低EMI。具體過程是DITHER/SYNC處的電流源以50uA電流將電容C14充電至2V。達到該點后，以50uA電流將C14放電至0.4V。電容充電和放電會在DITHER/SYNC上產生一個三角波，峰值分別為0.4V和2V，通常情況下，頻率為1KHZ。電容C14的計算公式為：

 

 

本模塊選擇C14=10nF,其中連接電阻公式如下：

 

 

其中，%DITHER為加抖量，表示為開關頻率的百分比。將RDITHER設置為10 RRT，產生±10%的抖動。本模塊中沒有焊接次電阻，但是也預留了位置，需要的時候可以焊上次電阻。

 

RT引腳是開關頻率編程電阻連接。將連接至RTN地，設置PWM開關頻率在100KHZ~600KHZ之間?？蓞⒖既缦鹿剑?/div>