标准以外的高功率 PoE 解决方案

引言

IEEE 802.3af 以太网供电 (PoE) 标准于 2003 年 6 月批准通过。此后，诸如 IP 电话与无线 LAN 接入点等众多应用纷纷开始遵从这一最新标准。PoE 市场中新推出了用于以太网线缆两端的几种 PoE 电源控制器。例如，TPS2383A 是符合 IEEE 802.3af 标准的控制器，用于线缆的供电设备 (PSE) 端，而 TPS2375 则是 IEEE 802.3af 用电设备 (PD) 控制器，用于线缆的下行端。上述控制器不仅简化了 PoE 设计，而且还使之更为可靠，并符合标准。采用 PoE 之后，越来越多的终端设备都设计为可以直接从以太网线缆/RJ-45 连接器获得电力。但是，IEEE 802.3af 标准限制 PSE 可提供的功率为 15.4W，而用于 PD 的功率为 12.95W。如果应用要求的功率大于 IEEE 802.3af 标准允许的量，则设计人员就要以创造性方法推出标准以外的解决方案。幸运的是，目前市场中提供的器件可用于上述类型的设计。我们应当记住，这些解决方案要求 PSE 提供更高的功率，但范围仍保持在以太网线缆和 RJ-45 连接器的最大安全工作电流之内。

高功率用电设备

就符合 IEEE 802.3af 标准的 PD 而言，所采用的最大 DC 电流为 350mA，限流为 450mA。为了从 PSE 获得更高的功率，我们可用热插拔控制器实施标准以外的高功率 PD。我们可采用如图 1 所示的 TPS2490 实施此类解决方案。工作电流与限流都由电流感应电阻器和所选的外部MOSFET 进行外部设置。感应电阻器RS设置最大DC限流，且应用应选择外部MOSFET。此外，通过选择电阻分压器 RPROG1 和 RPROG2 来对功率限制特性进行编程，TPS2490 还可用于保护外部MOSFET（见 TPS2490 数据手册）。正如我们所指出的那样，就其从线缆所获得的功率量以及被检测为有效 PD 的情况来看，该解决方案是超出标准之外的。

图 1. 带有标准以外 UVLO 的高功率 PD

如果我们需要 IEEE 802.3af 标准所定义的有效 PD，那么与 RUV1 及 RUV2并联的等效电阻 RDET 就可被设为约等于 24.9Kohms。这就能够满足标准定义的有效 PD 检测电阻要求了。我们还应注意，选择 RUV1 和 RUV2 时应满足所需的通电阈值（见 TPS2490 数据手册）。

为了实现符合IEEE 802.3af标准的打开和关闭输入阈值电压，我们还要添加额外的电路，如图 2所示。该电路还可用于编程打开和关闭阈值，通过调节 RUV1、RUV2 以及 RUV3 的电阻值来达到所需范围。RUV1 和 RUV2 间的分压决定了打开上升阈值电压，而 RUV1||RUV3 与 RUV2 间的分压则决定了输入的关闭阈值电压。

图2. 高功率 PD，带有符合 IEEE 802.3af 标准的 UVLO（39.4V 上升，30.6V下降）

就图 1 与图 2 所示的两个 PD 而言，FET 应为一个 N 通道 MOSFET，带有 100V 的漏极额定电压。它还应具备 20V 的闸极额定电压以及 2A 或更高的漏极额定电流。为了通过 PD 前级 (front stage) 获得更高功率，应选择 RS 的电阻值，这样限流就比最大负载电流高出约 20%。举例来说，如 PD 最大负载（DC/DC 转换器）为 22W（或最小输入电压 44V 上的最大等效负载电流为0.5A），则限流可设为 0.6A，这就需要把 RS 设为约 83mW。

图 1 和图 2 所示的解决方案都带有高侧开关。众多应用并不关心使用高侧还是低侧开关，但有些PD 却更希望使用低侧开关。为了配置低侧开关 PD，需要一个低侧 MOSFET 驱动器。图 3 显示了采用 TPS2399 的解决方案。TPS2399 是一个额定为 100V 的电流斜波热插拔控制器，其正好适用于超出标准以外的低侧开关 PD 控制器。

图 3. 带有低侧开关的高功率 PD

这种设计与图 1 所示几乎相同，但可采用不同的控制器来处理低侧开关。由于 TPS2399 控制器有着不同的限流感应阈值，因此感应电阻必须不同，这才能达到与图 1 所示相同的限流。遵循前面的例子，限流应设为 0.6A。就图 3 所示的应用而言，感应电阻 RS 应大约为 67mW，而非　83mW。

假定图 1 和图 3 所示 RDET、RUV1 以及 RUV2 的等效输入电阻约 25kW，则以上所有三个解决方案都应将 PD 设置为 0 类，这就可实现从各自的 PSE 获得最大功率。

高功率电源设备

根据设计，即便是 PD 可用于获得更高功率，其也有可能无法得到所需功率，因为符合 IEEE 802.3af 标准的 PSE 也有功率限制。如图 4 所示，采用TPS2383而又符合标准的 PSE 所允许的线缆最大持续电流仅为 0.35A（或功率为 15.4W，限流为 0.4A），因为电流感应电阻为 0.5W（与 IRFD110 串联）。允许从源极获得更高功率的简单方法就是降低感应电阻值，这样限流就会变高。举例说来，如果要求从 PSE 获得 19.25W 的功率（而不是从符合标准的 PSE 获得15.4W），则只需将感应电阻器的电阻值降低至 0.4W，这就可向 PSE 输出上的 RJ-45 连接器提供0.4375A的持续DC电流（限流 0.5A）。

图4. PSE解决方案（显示了符合标准的 PSE）

以上解决方案符合除额定功率 （或额定电流）以外的所有 PoE 标准。当然，如果 IEEE 802.3af兼容性对应用不重要，那么我们也可将其他通用热插拔控制器用于 PSE。

结论

PSE 向以太网线缆提供比 IEEE 802.3af 标准规定的更高功率是可能的，PD 通过适当 PSE 与 PD设计调整从线缆获得更高功率也是有可能的。

参考书目

1. TPS2375、TPS2376、TPS2377、IEEE 802.3af PoE 用电器件控制器，数据手册(SLVS525)，德州仪器；
2. TPS2490、TPS2491 正极高压功率限制热插拔控制器，数据手册 (SLVS503)，德州仪器；
3. TPS2398、TPS2399 -48-V 用于冗余电源系统的热插拔控制器，数据手册 (SLUS562A)，德州仪器；

TPS2383A 八通道电源设备功率管理器，数据表 (SLUS559A)，德州仪器。