采用现有的IEEE 802.3bt解决方案设计大功率以太网供电

自2003年引入以太网供电(PoE)以来,其功率传输能力已从原来的15.4瓦增加到30瓦,但设计人员仍需要更多的应用。对PoE规范的新修订,IEEE 802.3bt,通过在电源上启用高达60瓦(在某些应用中高达90瓦)来解决这一需求。
该修正案于2018年底批准。第一个商用集成供电设备(PSE)控制器和有源设备(PD)接口现在可用,允许设计工程师利用现在所谓的“高功率PoE”。
本文介绍了IEEE 802.3bt与以前版本的PoE的不同之处,然后介绍了MicrosemiTexas Instruments(TI),Linear TechnologyNexperia的集成PSE控制器和PD接口。它描述了如何最好地应用这些器件来构建系统,涵盖了电路保护,设计和布局要求等重要考虑因素。

什么是IEEE 802.3bt?

原始标准(IEEE 802.3af)在电源上规定了高达15.4瓦的功率,足以满足IP电话和Wi-Fi接入点等应用的需求,但对于IP视频电话或云台变焦等后期应用来说还不够(PTZ)相机。2009年的规范修订(IEEE 802.3at)通过在电源上指定30瓦来解决了这个问题。近年来,对于支持以太网连接应用(例如销售点(POS)终端,IEEE 802.11ac接入点和联网LED照明)的更多功率的需求已经增加。
为了满足对更多功率的需求,对先前PoE和PoE +规范的新IEEE 802.3bt(高功率PoE)修正增加了PSE最小输出功率和PD最小输入功率。主要变化是可以通过Cat5e以太网电缆中的所有四个双绞线传输电力。PoE和PoE +仅使用两对双绞线:“备选A”应用中的数据线或“备选B”应用中的备用线。(参见Digi-Key库文章“ 以太网供电简介 ”。)
新规范还促使引入“Type 3”和“Type 4”PSE和PD(分别可处理60瓦和90瓦)和额外的类(5-8)输出和输入功率(表1)。设计人员应注意,修正案旨在符合ISO / IEC 60950的有限电源和安全超低电压(SELV)要求,该要求将电源限制为每端口最大100瓦。
类型 标准 PSE最小输出功率 PD最小输入功率 电缆类 电缆长度 权力
输入1 IEEE802.3af标准 15.4瓦 12.95瓦 超五类 100米 2对
类型2 IEEE802.3at标准 30瓦 25.5瓦 超五类 100米 2对
输入3 IEEE802.3bt 60瓦 51 W至60 W. 超五类 100米 2对0-4级
4对0-4级
4对5-6级
类型4 IEEE802.3bt 90瓦 71 W至90 W. 超五类 100米 4对7-8班
1.如果已知通道长度,扩展功率允许PD输入功率最高可达到60 W(类型3)和高达90 W(类型4)。
表1:高功率PoE(IEEE 802.3bt)与PoE(IEEE 802.3af)和PoE +(IEEE 802.3at)的比较。IEEE 802.3bt引入了更高的功率以及新类型的PSE和PD,以及新的类。(表来源:Microsemi)

IEEE 802.3bt带来的增强功能

除了高功率PoE提供的更高功率外,该规范还引入了其他功能。主要增强功能包括:
  • 自动类功能
  • 低待机功率支持
  • 如果已知通道(电缆)长度,则可扩展功率
自动分类(或“自动分类”)是高功率PoE特有的新(可选)分类机制,允许PD将其有效最大功耗传递给PSE,从而使PSE能够将功率预算设置为精确匹配水平(加上一些通道损失储备和'安全'边际),以提高系统效率。
为了满足严格待机要求的应用,高功率PoE包括用于确保PSE保持功率的最小脉冲电流持续时间的显着变化。以前,类型1和2 PD使用“维持功率签名”(MPS),包括10毫安(mA)脉冲电流,每325 ms至少75毫秒(ms),交流阻抗低于26.3千欧(kΩ)与0.05微法(μF)并行。IEEE 802.3bt规范(适用于Type 3和4 PSE)带来的变化导致脉冲持续时间约为Type 1和Type 2 PSE的10%。
扩展功率特性是另一个重要变化。PD测量电缆电阻并计算功率损耗,从而确保PD接收规范详细说明的最小输入功率所需的功率储备。在最坏的情况下,这将等于先前修正案规定的动力储备,但在实际应用中它可能更低,从而节省能源。

高功率PoE启动

另外四类PSE输出功率(类别5到8)和相应的PD输入功率以及PSE和PD的两种新类型(类型3和4)的引入使得该技术的启动序列更加复杂。这对开发人员设计高功率PoE系统有影响,并可能影响PSE控制器的选择。
通常,符合IEEE 802.3af或IEEE 802.3at的设备被称为类型1(类0-3)或类型2(类4)设备。符合IEEE 802.3bt的设备称为类型3(类5,6)或类型4(类7,8)设备。高功率PoE定义了一种通过PSE在电缆上安全地为PD供电的方法,然后在PD与电缆断开时关闭电源。
IEEE 802.3bt还具有浪涌电流和时间限制,以确保PSE和任何类型或类别的PD之间的兼容性。对于0至4级,浪涌限制为400至450 mA,对于5至6级,浪涌限制为400 mA至900 mA,对于7至8级,则为800 mA至900 mA.PSE浪涌限制适用于上电后最长75 ms之后,2型,3型或4型PSE根据分类支持更高的输出电流。
高功率PoE启动过程从PSE关闭电源开始,同时查看是否有东西插在电缆上。然后,PSE在提供PD要求的功率之前对PD进行分类,或者如果PSE没有足够的容量来完全提供PD,则对PSE的最大功率进行分类。第3类和第4类PSE还使用第四种操作状态来检查PD是否在每条双绞线上具有相同的分类标记。
由于它是一个可选功能,并非所有符合PoE标准的高性能PSE和PD都支持Autoclass,因此如果功能构成开发人员系统规范的一部分,则需要检查数据表。Microsemi的PD70210ILD-TR前端PD接口控制器是通过其“增强型分类块”实现的产品之一。PD70210ILD-TR还可识别四对电缆中的哪一对实际接收电源并生成适当的标志(图1)。
Microsemi的PD70210ILD-TR前端PD接口控制器图(点击放大)
图1:Microsemi的PD70210ILD-TR前端PD接口控制器包括一个增强型分类块,以简化高功率PoE中引入的新类和PD类型的分类。该芯片还可以通过其SUPP_S1和SUPP_S2引脚识别电缆的四对双绞线中的哪一对实际接收电源。(图片来源:Microsemi)
实现Autoclass的PSE首先通过检查Class电流在短暂延迟后降至0级电流水平来检查PD是否支持该功能。如果存在支持,PSE可以在上电后立即进行Autoclass测量,PD需要在1.35至3.65秒内获得最高功率。一旦启动,PD必须提供MPS以确保PSE仍然连接。MPS丢失会触发PSE关闭电源(图2)。
高功率PoE启动过程图
图2:由于引入了新的PSE和PD类和类型,高功率PoE的启动过程比以前的版本更复杂。这里显示了过程的三个主要阶段(检测,分类和操作)以及它们发生的输入电压。(图片来源:德州仪器)

新型控制器符合高功率PoE规范

自从PoE获得批准以来,开发人员可以通过集成PSE控制器和PD接口的可用性来获得良好的服务。IEEE 802.3bt的趋势仍在继续。对于设计产品以满足规范草案版本的制造商的礼貌,除了上述的Microsemi设备之外,市场上已经有几个PSE控制器和PD接口。
例如,凌力尔特公司提供LTC4291-1 / LTC4292芯片组。这些组件旨在协同工作,形成3型或4型PSE控制器。电源管理功能包括每端口14位电流监控,可编程电流限制以及预选端口的通用关断。PD检测使用专有的多点检测机制来帮助防止错误的PD识别。支持Autoclass,芯片组采用引脚或I2C编程,可在PD上协商高达71.3瓦的功率。
LTC4291-1 / LTC4292芯片组以其集成度而着称; 几乎所有必要的电路都可以实现符合IEEE 802.3bt标准的PSE设计,只需要几个额外的外设。该器件分为两个芯片(处理器和电源),通过允许LTC4291-1驻留在非隔离侧,简化PSE隔离。它可以从主逻辑电源接收电源并直接连接到I 2 C / SMBus总线。该芯片组采用专有的隔离方案进行芯片间通信,用低成本的变压器取代了光隔离器和隔离电源。变压器为10BASE-T或10 / 100BASE-T单元,匝数比为1:1,共模扼流圈(图3)。
Linear Technology的LTC4291-1 / LTC4292四端口IEEE 802.3bt PoE PSE控制器图
图3:凌力尔特公司的LTC4291-1 / LTC4292四端口IEEE 802.3bt PoE PSE控制器实现了专有隔离,通过用低成本变压器取代光隔离器和隔离电源,简化了设计。(图片来源:Linear Technology)
为了充分利用高功率PoE,PD需要3型或4型接口,否则PSE将仅提供IEEE 802.3af定义的最大功率15.4瓦(PD为12.95瓦)。该接口的一个选项是TI的TPS2372-4RGWT,它包含实现IEEE 802.3bt Type 1到Type 4 PD接口所需的所有功能。
低内部开关电阻使TPS2372-3和TPS2372-4能够分别支持高达60瓦和90瓦的高功率PoE应用,其自动MPS功能可实现需要极低功耗待机模式的应用。请注意,PD的IEEE 802.3bt MPS要求适用于电缆的PSE端。这意味着根据电缆长度和其他参数(包括大容量电容),可能需要更长的MPS持续时间来验证。为此,TPS2372有三种不同的MPS脉冲持续时间和占空比选择,可通过其MPS_DUTY输入引脚选择。
TPS2372实现了与所有PSE类型兼容的浪涌电流水平。该芯片还实现了延迟功能,允许PSE在释放电源良好(PG)输出之前完成其浪涌阶段,确保满足IEEE 802.3bt启动要求。芯片的Autoclass使能输入可以访问IEEE 802.3bt标准中规定的所有高级系统功耗优化模式。

高功率PoE入门

当使用高度集成的芯片组(如LTC4291-1 / LTC4292)时,芯片供应商已经完成了许多具有挑战性的设计工作,但仍需要考虑一些仔细的外部元件选择和印刷电路板布局指南。其中大部分遵循PoE系统设计的一般设计指南,但选择适合高功率PoE引入的较高电压和电流水平的元件。
例如,图3所示的V DD和V EE线路需要数字电源和主PoE电源.V DD需要3.3 V电压,V EE需要-51和-57 V之间的负电压,类型3 PSE和-53至-57伏特用于4型PSE。应在V DD至DGND之间放置至少0.1μF的陶瓷去耦电容,尽可能接近每个LTC4291-1。为保持所需的隔离,不得连接LTC4292 AGNDP和LTC4291-1 DGND。
V EE是主要的隔离PoE电源,为PD提供电源。由于它提供相对大量的功率并且受到大电流瞬变的影响,因此与简单的逻辑电源相比,它需要更多的设计保养。为获得最佳系统效率,应将V EE设置为接近最大幅度(57伏),留下足够的余量来解决瞬态过冲或欠冲,温度漂移和线路调节。AGNDP和V EE之间需要至少47μF的电解大容量电容,以最大限度地减少电气瞬变时的杂散复位。
选择外部MOSFET是开发人员的另一个关键设计决策。该MOSFET构成控制PSE输出的功率开关器件。元件的选择对系统可靠性有重要影响,需要设计人员根据各种PSE电流限制条件分析和测试MOSFET安全工作区(SOA)。凌力尔特公司推荐用于PSE 的Nexperia PSMN075-100MSEX配置为在PD下提供高达51瓦的功率,或者在PD上提供71.3瓦的PSMN040-100MSEX,因为这些MOSFET在PoE应用中具有可靠的可靠性。
LTC4291-1 / LTC4292芯片组设计用于每通道0.15Ω电流检测电阻。开发人员必须添加两个并联的0.3Ω电阻,如图4所示。检测电阻必须具有±1%的容差或更好,并且不超过±200份/百万(ppm)/°C(C)温度系数满足高功率PoE规范。
凌力尔特LTC4292的模块布局图
图4:显示了LTC4292所需的顶层和底层检测电阻块布局。为满足高功率PoE规范,检测电阻(RSTx)选择和布局至关重要。(图片来源:Linear Technology)
每个端口在OUTnA和OUTnB至AGNDP之间需要一个0.22μF电容(再次参见图3),以便在启动或过载期间保持LTC4292稳定在电流限制范围内。建议额定电压至少为100伏的X7R陶瓷电容器必须靠近LTC4292。
以太网端口可能会受到严重的电气瞬变。PoE系统的综合浪涌保护是一个需要单独的文章,但最低要求是大容量电压抑制器,如瞬态电压抑制(TVS)二极管(TVS BULK)和大容量电容(C BULK),以抑制浪涌电流和电压到每个端口的安全水平(图5)。从AGND电源到LTC4292 AGNDP引脚也需要一个10Ω串联电阻(R1)。在LTC4292上,AGNDP引脚和V EE引脚应为58 V TVS二极管(D1)和靠近LTC4292引脚放置的1μF,100 V旁路电容(C1)。最后,每个端口都需要一对S1B钳位二极管:一个来自OUTnM,用于提供AGND,另一个来自OUTnM,用于提供V EE。它们将任何电瞬态引导到供电轨中,在那里它们被浪涌抑制器吸收。
凌力尔特公司的LTC4292图
图5:PSE控制器需要防止电气瞬变。这里展示的是凌力尔特公司的LTC4292,它具有所需的电压/电流抑制器和元件,可以将瞬态电压从敏感芯片引出。(图片来源:Linear Technology)
在PD接口上,TI TPS2327等芯片的高集成度再次使开发人员的生活更加轻松,但也需要一些外部组件(图6)。
例如,PD接口的电缆输入端需要二极管。对于TPS2327,TI建议在高功率PoE应用中使用3安培至5安培,100伏额定分立或桥式肖特基二极管,而不是传统二极管,因为二极管的功耗降低了30%。开发人员需要考虑的一点是,肖特基二极管通常具有比普通PN结二极管更高的反向漏电流,因此难以满足规范中定义的2.8伏的最大反向馈电电压。为了补偿,应该使用保守的二极管工作温度限制和低泄漏设备来实现。与传统二极管相比,肖特基二极管更容易受到瞬态电压的影响,因此建议采用铁氧体磁珠和电容器形式的电压/电流保护。
IEEE 802.3bt规范包括VDD至VSS的0.05至0.12μF(通常为0.1μF,100 V,±10%陶瓷)的输入旁路电容。该规范还需要检测电阻R DEN,分类电阻R CLSA和R CLSB以及MPS电阻R MPS。对于R DEN,建议使用24.9kΩ的电阻,±1%。分类电阻器从CLSA和CLSB连接到VSS,以根据IEEE 802.3bt标准对分类电流进行编程。这些电阻的值和分配的功率等级由PD在运行期间吸取的最大平均功率决定。R MPS设定MPS占空比; 例如,1.3kΩ电阻将占空比设置为26.4%。将MPS_DUTY短接到RSS将占空比设置为12.5%。
高功率PoE PD接口还需要电压线上的TVS二极管和大容量电容(D1,C BULK)电压抑制,以吸收电缆末端的瞬态电压。
德州仪器TPS2372高功率PoE PD接口示意图(点击放大)
图6:TI TPS2372高功率PoE PD接口的应用图显示了完成设计所需的外围组件 - 主要是输入二极管,抑制设备以及检测,分类和MPS电阻。(图片来源:德州仪器)
有许多设计指南可确保印刷电路板布局,部件布局和布线要求在参数测量精度,系统稳健性和散热方面满足IEEE 802.3bt规范的要求。凌力尔特公司和TI均为其PSE / PD接口提供符合规范的参考设计,并为开发人员提供有用的指南。

结论

高功率PoE扩展了PoE的应用并提高了效率。但是,通过引入更多PSE控制器和PD接口类型和类以及其他操作和安全功能,它增加了实施的复杂性。
对于设计人员,帮助以集成的PSE控制器和PD接口解决方案的形式提供,其中包括这些功能作为标准。通过减少完成系统所需的外围组件数量,这些大大简化并加速了设计过程。

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