高功率PoE系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要 以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3af定義的48 V最高12.95 W的功率限制，制約了高功率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入。本文設(shè)計(jì)了一種兼容標(biāo)準(zhǔn)最高25 W的可監(jiān)控以太網(wǎng)供電系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了此系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程；并給出了PD控制器的設(shè)計(jì)原理，以及在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞? 以太網(wǎng)供電? PoE? PSE? TPS23841? TPS2376-H

　　IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的制定推動(dòng)了以太網(wǎng)供電技術(shù)的使用，而TI公司推出的兼容標(biāo)準(zhǔn)的高功率供電管理芯片TPS23841和TPS2376H，很好地解決了25 W以內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入問題。本文基于以上兩種芯片設(shè)計(jì)出兼容標(biāo)準(zhǔn)的高功率以太網(wǎng)供電系統(tǒng)。

1? IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)簡介[1]

　　IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了一種允許通過以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)輸送48 V直流電源的方法,它將以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet，PoE）技術(shù)引入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，最大傳輸距離為100 m。PoE由供電設(shè)備PSE和受電設(shè)備PD組成。PSE分為端接式和中跨式兩種類型，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)PD的檢測(cè)、功率分級(jí)（可選）、供電和斷電等功能；PD主要作為標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別設(shè)備，返回各種符合標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)以及持續(xù)工作信號(hào)，從而完成整個(gè)供電過程。

2? PSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成[23]

　　PSE主要實(shí)現(xiàn)上述電源管理功能，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。PSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,16位單片機(jī)MSP430F147通過模擬I2C總線對(duì)TPS23841內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫，來實(shí)現(xiàn)電源管理功能；通過P4.0設(shè)置TPS23841的工作模式；通過P2.7獲得出錯(cuò)信號(hào)，從而通過P4.2對(duì)TPS23841產(chǎn)生有效的復(fù)位信號(hào)。系統(tǒng)中對(duì)必要的信號(hào)及電源進(jìn)行了隔離，MSP430F147通過UART接口經(jīng)MAX13085轉(zhuǎn)換為RS485電平后與供電監(jiān)控PC機(jī)通信，當(dāng)沒有與PC機(jī)連接時(shí)系統(tǒng)會(huì)自主運(yùn)行。

　　TPS23841的工作電壓范圍為21.5~57 V,比IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)供電技術(shù)可以應(yīng)用在醫(yī)療、工業(yè)等24 V的供電系統(tǒng)中。同時(shí)，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(hào)線對(duì)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端PD。在特殊情況下也可以通過4個(gè)線對(duì)同時(shí)傳輸供電，這樣可以獲得更高的傳輸功率。 交流斷路檢測(cè)電路用來產(chǎn)生交流斷路檢測(cè)信號(hào)，地址設(shè)置電路用來設(shè)置TPS23841的I2C設(shè)備地址，通過設(shè)置不同的地址可以接入多個(gè)TPS23841，從而達(dá)到擴(kuò)展供電端口的目的。MSP430F147通過內(nèi)部集成的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作溫度，當(dāng)過熱時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇散熱。

圖1? PSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3? PSE的硬件設(shè)計(jì)

　　PSE的供電管理功能主要由TPS23841實(shí)現(xiàn)。TPS23841運(yùn)行時(shí)內(nèi)部工作所需的10 V、6.3 V和3.3 V由外部供電產(chǎn)生，每個(gè)供電端口可以提供高達(dá)570 mA的電流，而對(duì)每個(gè)PD可以提供最高25 W的功率。TPS23841內(nèi)部集成了4個(gè)獨(dú)立的15位A/D轉(zhuǎn)換器，用來測(cè)量每個(gè)口的電阻、電壓、電流,可以更加精確地實(shí)現(xiàn)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(gè)供電回路中加入自恢復(fù)保險(xiǎn)絲來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的功能，通過加入瞬間電壓抑制器實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)的功能，由50、51腳引出的電路產(chǎn)生交流斷路檢測(cè)信號(hào)，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(guān)S1設(shè)置，三線I2C總線經(jīng)過光耦隔離后連接成為標(biāo)準(zhǔn)的兩線I2C總線。在PSE系統(tǒng)中，通過對(duì)MSP430F147編程來實(shí)現(xiàn)電源的高級(jí)管理功能。

圖2? PSE硬件原理圖

圖3? PSE運(yùn)行控制流程

4? PSE的軟件設(shè)計(jì)[23]

　　TPS23841內(nèi)部集成了標(biāo)準(zhǔn)的I2C模塊， MSP430F147通過I2C通信實(shí)現(xiàn)高級(jí)電源管理功能。TPS23841具有3種工作模式，分別為自動(dòng)模式（AM）、半自動(dòng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PD的檢測(cè)、分級(jí)和供電等功能，此模式下采用DC斷路檢測(cè)法檢測(cè)PD是否斷開；在SAM模式下，TPS23841運(yùn)行在AM模式下，但可以通過I2C總線來讀取所有狀態(tài)寄存器和A/D寄存器的內(nèi)容，并且可以不需要微控制器參與而自動(dòng)完成對(duì)PD的檢測(cè)；在PMM模式下，可以執(zhí)行AC斷路檢測(cè)，并且可以獲得每個(gè)PD的電壓與電流參數(shù)，供電管理更加靈活。當(dāng)TPS23841工作在SAM和PMM模式時(shí)需要微控制器MSP430F147來完成整個(gè)供電管理過程。PSE的運(yùn)行控制過程如圖3所示。控制程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、控制TPS23841、與PC通信，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝與解析等功能。當(dāng)沒有與PC機(jī)連接時(shí)，設(shè)置TPS23841工作在AM模式下，TPS23841將自主運(yùn)行；當(dāng)與PC機(jī)連接時(shí)，系統(tǒng)將按照用戶的要求將 TPS23841設(shè)置為相應(yīng)的工作模式，在SAM和PMM模式下，能夠采集到各個(gè)端口的運(yùn)行參數(shù)，在PMM模式下可以對(duì)各個(gè)端口的供電進(jìn)行控制。系統(tǒng)最后將采集到的數(shù)據(jù)封裝后通過RS485發(fā)送到PC機(jī)。

圖4? PD設(shè)計(jì)原理圖

5? PD的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[4]

　　TPS2376H是TI公司推出的兼容標(biāo)準(zhǔn)的高功率PD控制器，PD的設(shè)計(jì)原理如圖4所示，整流橋做極性保護(hù)用，瞬間電壓抑制器D1用來消除過壓造成的損害。當(dāng)作為標(biāo)準(zhǔn)PD設(shè)計(jì)時(shí)，TPS2376H的外部檢測(cè)電阻、分級(jí)電阻按照標(biāo)準(zhǔn)定義的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)作為高功率PD設(shè)計(jì)時(shí)，PSE需要提供52~57 V的供電電壓，TPS2376H的分級(jí)電阻需要設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)定義的備用級(jí)別4級(jí)。此時(shí)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(shí)也可以通過以太網(wǎng)線的4個(gè)線對(duì)供電，這樣傳輸?shù)墓β适莾删€對(duì)傳輸功率的2倍。兩種方式有各自的優(yōu)點(diǎn)。兩線對(duì)供電用在IEEE802.3af系統(tǒng)中，一線對(duì)用來傳輸電流，另一線對(duì)用來作為回路，其余兩個(gè)線對(duì)不傳輸供電，是一種最簡單的實(shí)現(xiàn)方法，但是對(duì)于不供電的兩個(gè)線對(duì)卻不能很好的利用，這是一種損失。四線對(duì)供電降低了電纜的阻抗，但卻增加了線對(duì)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(huì)導(dǎo)致供電線對(duì)的電流不平衡，PD端可以通過2個(gè)獨(dú)立的DC/DC轉(zhuǎn)換器來解決這個(gè)問題，在24 V的供電系統(tǒng)中為了防止誤分級(jí)PSE應(yīng)選擇不分級(jí)操作。PD后端采用LT1074HVIT將電壓轉(zhuǎn)換為設(shè)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(jù)Vout=2.21×(1+R1/R2)來進(jìn)行設(shè)置。

6? PoE在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在RFID應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，讀寫器的供電問題是必須要考慮的，對(duì)基于以太網(wǎng)通信的讀寫器來說，采用以太網(wǎng)供電技術(shù)將大大降低讀寫器的成本。在實(shí)際應(yīng)用中將PSE系統(tǒng)和交換機(jī)集成在一起設(shè)計(jì)出了端接式PSE（即PoESwitch），使得應(yīng)用更加靈活方便。典型應(yīng)用如圖5所示。

圖5? PoESwitch在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　當(dāng)PoESwitch偵測(cè)到讀寫器、無線接入點(diǎn)為合法的PD后，將執(zhí)行可選的分級(jí)操作，之后將向它們供電，同時(shí)由監(jiān)控PC上的PSE終端監(jiān)控軟件完成對(duì)各個(gè)供電端口的監(jiān)控。

結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)采用MSP430F147單片機(jī)和以太網(wǎng)供電管理器TPS23841、TPS2376H開發(fā)了兼容IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的高功率PoE系統(tǒng)。此系統(tǒng)也可應(yīng)用在醫(yī)療、工業(yè)等21.5～57 V、最高功率為25 W的供電環(huán)境中，具有良好的兼容性。