电源管理芯片在以太网供电中的应用

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        什么是以太网供电?

        术语“以太网”是指 IEEE802.3 标准涵盖的各种局域网 (LAN) 系统。以太网协议是在工作场所,通过高速数据电缆将台式 PC 与中央文件服务器连接起来的协议。

        任何连接到以太网端口的设备,如数据终端、无线接入点、网络摄像机 (web cam) 或网络电话等,都需要通过电池或独立 AC 插座为自己供电。

        而更为优雅的方法则是能够向连接到以太网的任何设备同时传输电源和数据。如果这种传输方式能够利用现有的以太网布线,则可以保持 100% 的历史兼容性,那将再好不过了。这正是 IEEE802.3af 规范中定义的以太网供电 (PoE) 标准所提供的内容。这一新标准于 2003 年 6 月由 IEEE 批准,是通过以太网发送和接收电源信号的标准。PoE 的优点在于:

        由于每个设备只需要一组连线,因此每个设备的布线更为简单和便宜;

        免去了 AC 插座和适配器,使工作环境更安全、整洁,成本也更 低;

        可轻易地将设备从一处移至另一处;

        无间断电源可确保在 AC 电源

        断电时继续为设备供电;可对连接到以太网的设备进行远程监控。

        正是这些优点使得以太网供电成为一项从本质上改变了低功耗设备供电方式的全新技术。但就目前而言,推动 PoE 总有效市场增长 (TAM, Total Available Market) 的主力是两类用电设备:无线 LAN 接入点和 VoIP(网络语音)电话。至 2007 年,前者的复合年增长率 (CAGR) 为 38%,达 1500 万个(来源:iSuppli),而支持后者的企业网预计将达到 300 万个。对用电设备的这种需求反过来将推动现有以太网交换机向支持 PoE 功能转移的需求。这是通过使用“中继”(midspan) 来实现的,如图1所示。这些单元的增长至 2007 年预计将达到 800 万,增长率为 68%。

        在图1的示例中,源头的以太网交换机通过一个“中继”以太网供电集线器将电源“注入”局域网的双绞线电缆来提供 PoE 功能。新的以太网交换机将集成该“中继”,从而实现向通过高速数据电缆连接的用电设备 (PD) 供电。这些用电设备可以是网络摄像机 (web cam)、网络语音电话、无线局域网接入点和其他电器设备。不间断电源 (UPS) 将提供备用电源,以防市电断电。

        电源管理器件用于转换电压和电流,可以用在以太网交换机中,以太网供电“中继”集线器中,以及位于用电设备中的 DC-DC 转换单元中。下面各段将对这些功能中的每个功能分别进行讨论。

 

        电源管理器件在以太网交换机中的应用

        最新的以太网交换机可以通过 24 或 48 个独立端口向用电设备提供 PoE 连接性,并与非 PoE 系统保持历史兼容。每台用电设备均由其自己的48V电源供电,每台用电设备的最大允许功耗为15.4W,以太网交换机可以对每台设备的用电单独进行管理。

        IEEE802.3af PoE 规范最多允许在每台用电设备处消耗大约 13W 的功率,而以太网交换机提供的最大 15.4W 的功率是为了弥补长电缆带来的一定程度的损耗。48V 电源实际上允许在用电设备端使用36~ 57V 之间的任意电压。电压要求大约为最大开关电压的 2 倍(应对开关尖脉冲等的经验法则),要求电源开关必须采用额定VDS为 100V的分立 MOSFET。

        图2 显示了一个PoE控制器,通过分立 MOSFET控制四个端口。在该例中,使用的是飞利浦半导体公司的四个 PHT4NQ10T 器件。这种配置相当于每个以太网交换机或中继采用 12 个 IC 和 48 个 MOSFET。到2007 年,用于“中继”电源管理的 MOSFET的总有效市场容量 (TAM) 将达到 5700 万美元(3 亿 8 千 4 百万只),而IC将达到 4800 万美元(9600 万片)。

        PoE 控制器通常指的是“热插拔”(Hot Swap) 控制器。这些 IC 的功能包括:

        分别控制四个独立的 PoE 端口;

        检测有效用电设备的连接; (使用低阻值的检测电阻)监测MOSFET 的稳态电流;

        当一个用电设备第一次连接到个端口时,控制浪涌电流和MOSFET功耗;

        具备欠流断开检测功能以确定用电设备是否已断开连接。

        在正常工作情况下,当一个端口已经供电并且用电设备的旁路电容已经充电到端口电压时,外部 MOSFET 的功耗非常低。这意味着较小的 MOSFET 就能完成这个功能。然而,IEEE802.3af 的其他要求,例如加电时的浪涌电流以及不兼容的用电设备连接到端口的风险,要求 MOSFET 能承受很大的瞬态功耗。正是基于这些原因,才采用了分立 MOSFET 而不是集成方案。

        对以太网交换机中的 MOSFET 的进一步要求是其在关断状态下的漏电流要非常低。IEEE802.3af 要求每端口绝对最大漏电流不得高于 12 A,而且这个要求还包括了除 MOSFET 之外其他可能存在的保护电路的泄漏途径。飞利浦半导体公司的 MOSFET 就是为满足此项要求而设计的,其最大漏电流仅为 1 A。

        电源管理器件在用电设备 (PD) 中的应用

        用电设备的框图如图 3 所示。来自以太网电缆的直流电源通过二极管桥式整流器恢复,因此消除了用电设备电路电压极性加反的可能性。当一个设备连接到一个 PoE 端口时,以太网交换机就执行一个“发现”程序以确定该设备是否为可接受以太网供电的设备,还是不支持 PoE 的老式设备。当用电设备断开时,也会执行“发现”程序。之所以需要这个发现程序是因为高电压 (48V) 连到许多传统设备上会造成设备损毁。有鉴于此,当电压与已有的传统设备兼容时,就会执行“发现”程序,只有在“发现”符合要求时才会提供高电压直流电源。IEEE802.3af 的“发现”机制是基于特性阻抗的检测来实现的。

 

         通过确定从每个端口吸收的功率,供电设备 (PSE) 可辅助系统电源管理协议,根据系统供电的输出能力,确定其所能支持的用电设备总数。为了实现这种电源管理,IEEE802.3af 标准中加入了一种称为“分类”的可选方法。“分类”方法可以让用电设备向以太网交换机或“中继”集线器报告其最大功率需求,从而使电源管理协议能将未使用的功率分配给其他端口,充分利用已安装的电源容量。

        接口控制器的功能是作为用电设备电路主电路的“通断开关”,基于一个 100V 的 N 沟道 MOSFET 构建。仅当额定 48V 电源位于可接受容限以内时,接口控制器才会允许用电设备连接。此外,接口控制器通常还提供浪涌电流限制和故障电流限制功能。MOSFET 的浪涌性能则与上面以太网交换机应用中的 100V MOSFET 相当。

        一旦“发现”过程完成,且接口控制器确定电源电压在容许范围内时,接口控制器的 MOSFET 就会开启,电源就施加到隔离 DC-DC 转换器。隔离 DC-DC 转换器需能在用电设备前端和用电设备电路的其他部分之间提供 1500V 的隔离(这是一种安全特性),并向用电设备电路的其他部分提供一个或多个低压直流电压,最大总功耗为 13W。该转换器的输入额定电压为 48V,采用通用的前向和返弛拓扑结构。这是常用的 DC-DC 转换器结构,与低功率电信电源极为相似。有多种控制器 IC 可以满足这一需求。如飞利浦半导体公司 GREENCHIPTM 系列中的开关电源 (SMPS) 控制器 IC 芯片 TEA1502。

        据 VDC 预测,到 2007 年,高达 4.96 亿个端口将采用电源管理芯片。由于并不是所有的端口都会被利用到,当使用率为 50% 时,用电设备的总有效市场容量将为 2.48 亿。

        小结

        综上所述,PoE 是一项将改变设备供电方式的全新技术。假以时日,PoE 将成为很多设备所采用的普及技术。正是电源管理器件(既包括 IC 也包括 MOSFET)成就了这种改变。

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