作者：Rich Nowakowski 和 T.Y. Chan，德州儀器 (TI)

摘要

由于其更低的話費(fèi)成本，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 電話在企業(yè)和小型經(jīng)營場(chǎng)所正變得越來越流行。IP 電話通過路由器利用以太網(wǎng)供電以后，雖然安裝成本降低了，但是電源管理解決方案變得愈加復(fù)雜。本文中，我們將討論使用 VoIP 的一些可能情況，以及 IP 電話使用的一些電源狀態(tài)。我們還會(huì)介紹 IEEE 802.3af 以太網(wǎng)供電 (PoE) 的分類。另外，我們將使用一種 IP 電話設(shè)計(jì)的典型構(gòu)架來描述負(fù)載點(diǎn) (PoL) 電源要求和電源管理設(shè)計(jì)技術(shù)。

概述

既然媒體相關(guān)接口 (MDI) 供電添加到了 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)，那么數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE) 便可以通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸線纜獲得電源。IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通過現(xiàn)有線纜提供和接收電源的相關(guān)要求進(jìn)行了定義。供電設(shè)備 (PSE) 通過線纜提供電源，而用電設(shè)備 (PD) 則接收電源。

供電設(shè)備檢測(cè)

用電設(shè)備 (PD) 通過參與 PD 檢測(cè)算法[1]來吸收電源或者請(qǐng)求電源。該算法要求供電設(shè)備 (PSE) 探測(cè)搜索有效 PD 的鏈接。PSE 通過在電源線上發(fā)送一個(gè) 2.7V 和 10.1V 之間的電壓來探測(cè)這種鏈接。一個(gè)有效的 PD 檢測(cè)到該電壓，然后在電源線上設(shè)置一個(gè)額定 25k 歐姆的電阻。由于電壓在 2.7V 和 10.1V 之間變化，V-I 斜率從 12k 歐姆變?yōu)?45k 歐姆。額定 25k 歐姆檢測(cè)電阻條件下這一范圍內(nèi)的任何斜率都為一個(gè)有效的 PD 信號(hào)。檢測(cè)這種電流時(shí)，PSE 斷定在以太網(wǎng)線纜端連接了一個(gè)有效 PD 并且正請(qǐng)求電源。

在檢測(cè)階段之后，PSE 可以選擇初始化一個(gè) PD 類別。PSE 使用 PD 類別來確定正常運(yùn)行期間 PD 要求的較大電源。表 1 列出了 5 種不同的類別層次。

表 1 用電設(shè)備類別層次

類別 使用 電源設(shè)備功率 (W) 分級(jí)電流 (mA) 較小 較大 較小 較大 0 默認(rèn) 0.44 12.95 0 4 1 可選 0.44 3.84 9 12 2 可選 3.84 6.49 17 20 3 可選 6.49 12.95 26 30 4 不允許 留作以后使用 36 44

PSE 可以分類 PD，但只能在檢測(cè)到一個(gè)有效 PD 以后才可以實(shí)現(xiàn)。為了確定 PD 類別，PSE 在 14.5V 和 20.5V 之間升高電源線的電壓。PD 吸收的電流量決定該類別（參見表 2）。

用電設(shè)備控制器的選擇

IEEE802.3af 規(guī)范對(duì)通過線纜為 PD 安全供電以及斷開 PD 時(shí)移除電源的方法進(jìn)行了定義。IP 電話易受靜電放電 (ESD)、浪涌電流、EMI 和線路瞬態(tài)的影響。使用用電設(shè)備控制器（例如：TPS2375）可以通過限制開發(fā) IEEE 802.3af 兼容用電設(shè)備所需所有特性來提供保護(hù)。在選擇一種用電設(shè)備時(shí)，需記住更高的 VDD 到 VSS 額定電壓幫助保護(hù) IP 電話免受破壞性瞬態(tài)的損害[3]。較大持續(xù)電壓可以高達(dá) 57V，但是瞬態(tài)會(huì)高得多。如果用電設(shè)備控制器的較大額定電壓高達(dá) 100V，則設(shè)計(jì)人員可以使用一個(gè)低成本的瞬態(tài)抑制齊納二極管。否則，需要一個(gè)更高質(zhì)量的輸入瞬態(tài)電壓抑制器來較小化輸入尖峰。在初次開啟過程中，流涌電流出現(xiàn)在輸入電容充電期間。用電設(shè)備控制器必須將這種流涌電流限制在 50ms 的 400mA 以下。如果需要一個(gè)大于 180uF 的輸入電容，請(qǐng)確定選擇了正確的電流限制閾值。考慮 ESD 并選擇一個(gè)可以滿足 15-kV 系統(tǒng)級(jí) ESD 要求的用電設(shè)備是很重要的。另外，需要一些輸入二極管橋接來支持?jǐn)?shù)據(jù)線以及兩種極性的備用線對(duì)以太網(wǎng)電源連接，同時(shí)還需要一個(gè) EMI 濾波器來確保與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)的噪聲兼容性。

系統(tǒng)總線電壓的選擇

設(shè)計(jì) POL 構(gòu)架的下一步是選擇一種 DC/DC 拓?fù)浜皖~定總線電壓。在 PoE 應(yīng)用中，隔離式反向或正向轉(zhuǎn)換器比同步或非同步降壓轉(zhuǎn)換器要更為流行，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁綦x層，擁有較寬松的低電壓限制，并可通過一個(gè)附加變壓器繞組提供多個(gè)輸出電壓。另一方面，降壓轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈円�求一個(gè)電感而非變壓器。但是，它們?cè)谡{(diào)節(jié)低電壓（例如：將 57V 輸入調(diào)節(jié)為 3.3V）時(shí)可能存在問題，因?yàn)榇嬖谳^小導(dǎo)通時(shí)間限制。

PoE 應(yīng)用中更為流行的總線電壓軌是 12V、5V 和 3.3V。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇 12V 電壓軌，因?yàn)闆]有了增壓轉(zhuǎn)換需求。另一方面，如果 IP 電話中所需的較高電壓僅為 5V，則選擇 5V 為主電壓總線軌較為理想。

負(fù)載點(diǎn) DC/DC 轉(zhuǎn)換

盡管該標(biāo)準(zhǔn)在 PSE 輸出端允許 15.4W，但在 PD 僅 12.95W 可用，因?yàn)橐蕴�網(wǎng)線纜的極端功率下降。因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)載點(diǎn)構(gòu)架時(shí)，功效是一個(gè)重要的考慮因素。表 2 列出了典型 IP 電話功耗的評(píng)估。在表 2 所示舉例中，總功耗稍稍高于 7W。

如果忽略不計(jì)，功率轉(zhuǎn)換比在功率預(yù)算中起主導(dǎo)作用，其貢獻(xiàn)較大。所有未使用能量都轉(zhuǎn)換為熱，然后在 PCB 上耗散，較終散發(fā)到空氣中。開關(guān)調(diào)節(jié)器擁有 90% 以上的高效率，但如果電路板設(shè)計(jì)較差，則會(huì)要求一個(gè)外部電感，并會(huì)帶來開關(guān)噪聲問題。市場(chǎng)上的許多新型 DC/DC 開關(guān)調(diào)節(jié)器都擁有簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的集成 MOSFET，并且通過低成本陶瓷電容器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，從而節(jié)省電路板空間。

表 2 IP 電話估計(jì)功耗

  功耗 LED 背光 0.60 LCD 面板/數(shù)顯 0.20 SOC（0.7-1.2W） 1.00 閃存 0.10 DRAM 0.50 雙千兆網(wǎng) PHY（1.2-2W） 1.20 音頻（1.5W 揚(yáng)聲器） 1.00 Misc.（時(shí)鐘等） 0.10 小計(jì)功耗 5.70 電源管理 75% 效率 1.43 總功耗 7.13

線性穩(wěn)壓器擁有低噪聲和小電路板空間，因?yàn)榕月吩��?(pass element) 不進(jìn)行開關(guān)，并且不需要電感。一些新型線性穩(wěn)壓器已經(jīng)得到使用，只要有偏置電壓，它們便可接受低輸入電壓并提供低輸出電壓。例如，現(xiàn)在，只要可以使用 3.3V 為線性穩(wěn)壓器的電路供電，便可將 1.8V 軌轉(zhuǎn)換為 1A 下的 1.5V。這種情況下，83% 的效率得以實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

設(shè)計(jì) IP 電話電源解決方案并通過以太網(wǎng)線纜供電與使用標(biāo)準(zhǔn) AC/DC 墻上適配器之間的權(quán)衡對(duì)比提出了一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文決不是要代替 IEE802.3af 規(guī)范，而是通過一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)例，在 IP 電話中實(shí)施一種用電設(shè)備解決方案，從而實(shí)現(xiàn)在適用情況下利用以太網(wǎng)線纜獲得電源的諸多好處。

參考文獻(xiàn)

1) 《IEEE 802.3af PoE 用電設(shè)備控制器 (SLVS525B)》，TI，2008 年 4 月：http://focus.ti.com/lit/ds/slvs525b/slvs525b.pdf。
2) 《用電設(shè)備控制器比較 (SLVA167)》，作者：Heping Dai，TI，2004年5月： http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract.tsp?abstractName=slva167

作者簡(jiǎn)介

Rich Nowakowski 現(xiàn)任 TI 高性能模擬產(chǎn)品部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品營銷經(jīng)理。他畢業(yè)于北達(dá)科他州立大學(xué) (North Dakota State University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位和工商管理碩士學(xué)位。

T.Y. Chan 作為 TI 通信基礎(chǔ)設(shè)施和語音產(chǎn)品部科技委員會(huì)的一名資深委員現(xiàn)任 VoIP 平臺(tái)定義經(jīng)理。他畢業(yè)于布拉德利大學(xué) (Bradley University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位和電子工程碩士學(xué)位。