作者：Steven R. Tom, 德州儀器 (TI) 電源接口產(chǎn)品系統(tǒng)工程師

引言

以太網(wǎng)供電 (PoE) 參數(shù)是由 IEEE 802.3-2005 第 33 條所制定的，其不但確定了允許的架構(gòu)，而且還確定了以太網(wǎng)供電系統(tǒng)可提供的較大功率1。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兩對線纜結(jié)構(gòu)的末端產(chǎn)生較大的功率為 12.95W。由于終端設(shè)備變得日益復(fù)雜，這就要求有比 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)所允許的電源功率更為強(qiáng)大、架構(gòu)更具有靈活性的電力能源。本文介紹了一種特殊的均流技術(shù)，這種技術(shù)采用了四對線纜體系構(gòu)架，使得傳輸?shù)浇K端的功率可以達(dá)到 50 瓦特。

以太網(wǎng)電源兩對/四對架構(gòu)綜述

典型的以太網(wǎng)電源端到端解決方案包括一個(gè)被稱為"供電設(shè)備"(PSE) 的電源，一個(gè)被稱為"用電設(shè)備"(PD) 的終端設(shè)備。供電設(shè)備可能以獨(dú)立或者嵌入的形式存在于路由器或交換機(jī)中。現(xiàn)在使用的大多數(shù)以太網(wǎng)線纜均為 5E 類 (CAT5E) 線纜，這種線纜是由四組未屏蔽的銅雙絞線構(gòu)成。

圖 1 顯示了可以在 CAT5E 類線纜上傳輸電力的可能架構(gòu)。圖 1a 展示的架構(gòu)通過兩對 CAT5E 線纜形成的單環(huán)路將電力由供電設(shè)備傳送到用電設(shè)備。IEEE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電力可以在單環(huán)路的兩對線纜中傳輸，而不能同時(shí)在所有四對線纜中傳輸。圖 1b 在四對線纜中采用兩個(gè)電流環(huán)，這樣的結(jié)構(gòu)增加了較終傳遞給用電設(shè)備的功率。四對線纜架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)線數(shù)量的增加，從而降低了功率損耗，并且增加輸入到終端設(shè)備的功率。而主要的缺點(diǎn)在于成本的提高和為了確保在兩個(gè)電流環(huán)之間的均流所帶給系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。

在四對線纜架構(gòu)中，兩個(gè)電流回路都進(jìn)給一個(gè)單獨(dú)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。如果每個(gè)回路的阻抗是相同的，那么電流的均流就是不必要的，并且每個(gè)環(huán)路都將給 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供電流值是所需輸入電流一半的電流。然而，電線、連接器和組件之間的不匹配會(huì)引起一個(gè)回路攜帶的電荷比另一個(gè)回路多。為了確保可靠性，在每個(gè)電流回路中的系列組件在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)被設(shè)計(jì)成能夠處平衡度較差的情況，與此同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。兩個(gè)電流回路之間的均流越差，就意味著設(shè)計(jì)更加龐大（從而成本更高）。較大功率輸出可以通過使兩個(gè)線路上電流均流實(shí)現(xiàn)，從而每個(gè)線路上的電流都略低于其限制電流。下面的設(shè)計(jì)實(shí)例和分析表明如何確定均流性較差的情況和如何使其較小化。

設(shè)計(jì)升流電路實(shí)例

在一個(gè)四對線纜的結(jié)構(gòu)中，用電設(shè)備的檢測和分類功能必須在每兩個(gè)電流環(huán)上都實(shí)現(xiàn)，因此這就需要有兩個(gè)用電設(shè)備控制器。在如下的范例中，當(dāng)用電設(shè)備將能源傳遞給 DC/DC 電源時(shí)，采用了兩個(gè) TPS2376-H 控制器（請參見圖 2）。DC/DC 電源在單開關(guān)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用 UCC3809-2，從而提供一個(gè)獨(dú)立的、負(fù)載電流是 8A 的 5V 電壓。

表 1 顯示了預(yù)先設(shè)計(jì)的方案規(guī)范被應(yīng)用于此次設(shè)計(jì)。可以認(rèn)為，一個(gè)通常可用的供電設(shè)備將提供 51V 到 57V 的電壓調(diào)節(jié)，而在這個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都能給每個(gè)由兩對 CAT5E 線纜組成的電流環(huán)路提供 800mA 的電流。我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理假設(shè)，假設(shè)每兩對線纜組成的環(huán)路（較大長度 100 米）的阻值是 12.5 歐姆。CAT5E 線纜將連接到用電設(shè)備的接口，并輸入到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，提供一個(gè)負(fù)載電流為 8A 的 5V 電壓。為了簡化圖形和強(qiáng)調(diào)用電設(shè)備的接口，在圖 2 中 DC/DC 電源用一個(gè)簡單的黑盒子表示。

假設(shè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率約為 85%，那么要求輸入的功率將近 47W。根據(jù) CAT5E 線纜的長度和供電設(shè)備的電壓大小，為了滿足輸入功率的要求，輸入電流需要在 0.825 和 1.2A 之間。

TPS2376-H 的電流限制在表 1 中羅列出來，為了在運(yùn)行過程中不造成意外的關(guān)閉，在這兩個(gè)電流環(huán)中的電流都必須不超過這個(gè)值。由于 TPS2376-H 的較小電流為 625mA，圖 3 所示的升流電路是對這兩個(gè)電流環(huán)中的輸入電流進(jìn)行升流，將其提高到允許的 800mA，從而獲得 800mA 下的全電勢。在實(shí)際中，電流并沒有被升高，它僅僅是在 TPS2376-H 周圍分流了。圖 3 顯示了升流器是怎樣在其中的一個(gè)電流環(huán)中起作用的。由于在 TPS2376-H 引腳 5 (RTN) 上的回流增加，R15 兩邊的壓降就增加了，相應(yīng)地基極和射基之間的電壓降低就使得晶體管 Q1 開始工作。當(dāng) VR15> 0.7 V 時(shí)，流經(jīng) R15 的電流就會(huì)打開晶體管 Q1。這使得 Q1 導(dǎo)通，并分流了 TPS2376 – H 附近的部分返回電流。在短路或者瞬態(tài)相應(yīng)狀態(tài)下，Q2 將會(huì)把 Q1 的基極鉗位到它的集電極并迫使其強(qiáng)行關(guān)閉，從而 Q1 提供保護(hù)。如果電流持續(xù)增大，當(dāng) VR19> 0.7 V 時(shí)，Q2 將會(huì)打開，從而分流 Q1 的基極電流，并較終使 Q1 關(guān)閉。如欲了解該電路的更多詳情，敬請參閱參考文獻(xiàn) 3。

使用 PSPICE 軟件對四對線纜架構(gòu)進(jìn)行建模

為了確保該設(shè)計(jì)可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行分流，有必要使用如 PSPICE 等仿真工具對四對線纜架構(gòu)進(jìn)行仿真。需要仿真的關(guān)鍵元素是每個(gè)電流環(huán)路中的各種阻抗源。如二極管電橋，CAT5E 線纜電阻，TPS2376-H 中通過場效應(yīng)管 (FET) 和支持電路的各種電阻。表 2 是圖 2 中的實(shí)際示意圖以及圖 4 中的使用 PSPICE 的示意圖相關(guān)內(nèi)容。

在仿真模型中，供電設(shè)備 (PSE) 是一個(gè)理想的直流電壓源，DC/DC 電源供應(yīng)器是一個(gè)理想的直流電流源，CAT5E 線纜和用電設(shè)備 (PD) 接口是 4 個(gè)電路路徑。圖 4 中的顏色代碼路徑對應(yīng)圖2中相應(yīng)的路徑。將 PSE 仿真成一個(gè)理想的直流電壓源，DC/DC 電源供應(yīng)器仿真成一個(gè)理想的直流電流源是合理的假設(shè)。這樣的假設(shè)顯著的簡化了仿真模型，將分析的重點(diǎn)放在了 CAT5E 和 PD 電路的均流上。

如前所述，在一個(gè)理想的電路中，每個(gè)路徑中的電流都是相等的，因?yàn)槊總�(gè)路徑的組成部分都是相同的。然而，由于二極管正向電壓的下降，線纜電阻以及場效應(yīng)管的通過電阻的存在，致使電路中相同路徑產(chǎn)生不平衡。PSPICE 只允許模擬理想情況，即使用相同的元器件，同時(shí)每一個(gè)電流環(huán)路是均衡的。仿真分如下步驟進(jìn)行，掃描直流 (DC) 源電流，直流電壓轉(zhuǎn)換 (I_DCDC)，記錄兩條電流環(huán)路中的每一條的電流值和直流 (DC) 源的轉(zhuǎn)換功率。直流 (DC) 源的轉(zhuǎn)換功率指的是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電流。（如果 DC/DC 電源供應(yīng)器的效率是已知的，它可以乘以輸入功率來計(jì)算向負(fù)載供電的實(shí)際功率。）在每一條環(huán)路內(nèi)部，必須要確保通過 TPS2376-H 器件場效應(yīng)管的電流小于較大電流限—625mA，同時(shí)，每一條環(huán)路中的總電流不能超過 800mA。

另一個(gè)必須要考慮的變量是 CAT5E 線纜的長度。IEEE 標(biāo)準(zhǔn)允許 PD 和 PSE 之間的較長線纜長度為 100m。圖 5 給出了當(dāng)線纜電阻（R12、R45、R36、R78）改動(dòng)，線纜長度為 100m 和 1m 時(shí)邊角區(qū)域的仿真結(jié)果。所有的仿真是在較小 PSE 電壓—51V 下進(jìn)行的，因?yàn)樵谠摋l件下輸入電流有較大值。

模擬結(jié)果證實(shí)，在匹配的條件下，電流環(huán)路將向 1、3 路徑和 2、4 路徑均等的供電。隨著輸入功率增加到超過 25W，升流電路將打開，每個(gè)電流環(huán)中的一部分電流將分流至 TPS2376 - H。當(dāng) DC/DC 電源供應(yīng)器的輸入功率為 48W 并且連接 PD 和 PSE 之間的線纜長度為 100m 時(shí)，每一個(gè) TPS2376-H 器件所能分流的較大電流值是 465mA。每一個(gè)雙層電流環(huán)路中的較大電流為 599mA（465 mA + 134 mA）。該仿真結(jié)果是可以接受的，因?yàn)?TPS2376-H 的較大電流小于 625mA 的電流限，并且每一個(gè)雙層電流環(huán)路的較大電流小于 800mA。

了解環(huán)路阻抗不匹配的原因

為了確保性能的可靠性，了解環(huán)路阻抗不匹配產(chǎn)生的原因非常重要，這樣我們就可以將較壞的失衡情況輸入到仿真模型進(jìn)行模擬。圖6的仿真電路將下列變量的較大值納入考慮范圍：二極管正向電壓，1％ 的電阻容限，通過場效應(yīng)管的較大導(dǎo)通電阻容限。除此以外，3% 的較大線纜長度電阻容限也符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。

我們調(diào)整了以上變量的值，使阻抗的失配存在于同一個(gè)電流回路中，從而引起較大程度的不均衡。再運(yùn)行一次前面提到的 4 對線纜架構(gòu)仿真模型來驗(yàn)證每對線纜中電流的失衡。如圖7所示，使用一根 100m 長的線纜時(shí)，通過每一個(gè) TPS2376-H 器件的較大電流為 488mA；線纜長度為 1m 時(shí)該電流為 498mA。線纜長度 100m 時(shí)，較大可用電流（在這個(gè)例子中的路徑 1 和路徑 2）為640mA；線纜長度為 1m 時(shí)為 660mA。由于較大失衡電流在 TPS2376-H 中沒有超過 625mA 在每一條電流回路中也沒有超過 800mA，所以該設(shè)計(jì)仍然符合較初的設(shè)計(jì)規(guī)范。

板級結(jié)果

我們搭建和測試了一塊評估電路板來確認(rèn)仿真的正確性。圖 8 給出了在恒溫25°C 的理想實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下每一路回路電流的測量值。該板級結(jié)果證明了通過 TPS2376-H 后產(chǎn)生一個(gè)電流失衡，線纜長度 100m 僅為 10mA（2.1%），1m 時(shí)為1mA（0.2%）。效仿較壞情況下的條件，將二極管和電阻與 R78 電流回路的返回路徑相串聯(lián)，重新測試評估電路板。二極管的正向壓降 (0.7V) 和 0.5Ω 的附加電阻被計(jì)算進(jìn)去，用以補(bǔ)償較壞情況下二極管前向壓降的變化量和系統(tǒng)的電阻容限。通過合理的板級測試來指導(dǎo)測量實(shí)際電流回路失衡是可行的。如圖 9 所示，使用一根 100m 長的線纜時(shí)，通過每一個(gè) TPS2376-H 器件的較大電流為 488mA；線纜長度為 1m 時(shí)該電流為 484mA。線纜長度 100m 時(shí)，較大可用電流（在這個(gè)例子中的路徑 1 和路徑 2）為 648mA；線纜長度為 1m 時(shí)為 640mA。由于較大失衡電流在 TPS2376-H 中沒有超過 625mA 在每一條電流回路中也沒有超過 800mA，所以該設(shè)計(jì)仍然符合較初的設(shè)計(jì)規(guī)范。

結(jié)論

總體而言，仿真和板級結(jié)果均證實(shí)，在 CAT5E 以太網(wǎng)線纜中，通過控制流過每個(gè) TPS2376-H 的返回電流不超過它的較小電流限并且不超過允許的較大電流，升流電路可以滿足均流的較初設(shè)計(jì)要求。這個(gè)附加的均流電路改善了兩個(gè)電流回路之間的均流性能，這樣以來，線路、連接器以及其它器件的容差將不會(huì)導(dǎo)致我們的設(shè)計(jì)超出設(shè)計(jì)規(guī)范。

參考文獻(xiàn)

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