如何優(yōu)化以太網(wǎng)供電 (PoE) PD 設(shè)計
什么是以太網(wǎng)供電 (PoE)？
以太網(wǎng)供電 (PoE) 解決方案可以在以太網(wǎng)電纜傳輸直流電源的同時將數(shù)據(jù)并行傳輸至IP 終端設(shè)備，無需更改現(xiàn)有的以太網(wǎng)標準電纜連接。在一根電纜上同時傳輸電力和數(shù)據(jù)不僅簡化了安裝、提高了可靠性，還通過減少線纜降低了成本。PoE 設(shè)備因此成為機房和辦公室的常見選擇，也是不便新裝電源線的舊建筑物的理想選擇。
本文將綜合描述 PoE PD 的設(shè)計，討論系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)，還將介紹如何利用?MP8017?（集成型 PoE PD 和反激式電源變換器）優(yōu)化 PoE PD 的設(shè)計，并進行驗證。
PoE的演變
1999 年，在IEEE 和以太網(wǎng)聯(lián)盟的努力之下，PoE實現(xiàn)了標準化，其目標是確保更廣泛連接的受電設(shè)備 (PD) 和供電設(shè)備 (PSE) 之間的互操作性。首個標準 IEEE 802.3af 于 2003 年獲得批準。該標準規(guī)定，電源必須能夠通過單根電纜中的備用線對或數(shù)據(jù)線對進行傳輸。最新的 PoE 標準為 IEEE802.3bt (90W)，它涵蓋了 5G 小型蜂窩、顯示單元和 AP 路由器等更多應(yīng)用。圖 1 所示為 IEEE PoE 標準的發(fā)展時間線，最早從 1999 年≤10W 的標準開始。
PoE功率分級
根據(jù)所需的功率，PoE 設(shè)備被分為不同的級別（Class 0 至Class 8，共9個級別）。802.3af 標準涵蓋了 Class 0 到 Class 3，電壓范圍在 37V 和 57V 之間，輸出功率達 15.4W。這類設(shè)備被推薦用于傳感器和簡單攝像頭。
802.3at 標準（也稱為 PoE+）引入了 Class 4等級，在同等電壓范圍內(nèi)將輸出功率提高到了30W，但僅兼容 PoE+ PSE。這類設(shè)備可用于復雜攝像頭、LCD 顯示器和平板電腦。
最新的標準802.3bt （也稱為 PoE++）則引入了 Class 5 到 Class 8等級，輸出功率在 45W 到 90W 之間。這類設(shè)備可以支持筆記本電腦、電視和建筑物中的電氣系統(tǒng)。圖 2 對這些功率等級及其相關(guān)輸入電壓、輸入功率和輸出電壓進行了總結(jié)。
PoE工作原理
網(wǎng)絡(luò)電纜由成對的雙絞線組成，其中包括能夠發(fā)送信息的數(shù)據(jù)線對和稱為備用線對的未使用線對。PD 和 PSE 成功通信的過程被稱為握手。握手的過程包括以下主要步驟：
PD 檢查: PSE向PD電阻（24.9kΩ）發(fā)送一個測試電壓（<10.1V）；若阻抗值匹配，則表明為一個標準 PoE 設(shè)備。
功率分級: PSE發(fā)送一個電壓并獲得電流反饋，以確認PD的功率等級（從Class 1到Class 8）。
供電: PSE的輸入電源提升至54V左右。
穩(wěn)定電源和監(jiān)控器: 電源穩(wěn)定在54V左右，同時根據(jù)分級結(jié)果限制最大功率。
斷連: 如果PD斷開，則PSE停止供電。
圖 3 顯示了PSE 和 PD之間的整體通信結(jié)構(gòu)。
PSE 與 PD 握手時，電壓電平的變化情況如圖 4 所示。
PoE 解決方案的設(shè)計挑戰(zhàn)
PoE 設(shè)備面臨的首個設(shè)計挑戰(zhàn)就是效率。盡管 PoE 設(shè)備綜合了電源與數(shù)據(jù)的傳輸，但如果設(shè)計不當，效率會比較低。因此，設(shè)計人員必須優(yōu)化電源電路以降低元件阻抗，并選擇最佳變壓器以提高效率。
另外，大量的功率傳輸會產(chǎn)生可聞噪聲，從而影響設(shè)備滿足現(xiàn)代 EMI 標準的能力。如果不加以規(guī)范，EMI 會導致周邊設(shè)備性能降級并縮短系統(tǒng)的生命周期。功率高的 PoE 設(shè)備體積也更大，對空間受限的應(yīng)用而言，可能會占據(jù)寶貴的空間。
圖 5 顯示了一個典型的 15W PoE PD 電源電路。由于所需元件數(shù)量較多，電路復雜且龐大。光耦合器和 TL431 穩(wěn)壓器單獨組成其電路系統(tǒng)，其中也包含眾多元件。
優(yōu)化 PoE 解決方案
有六種簡單的方法可以優(yōu)化傳統(tǒng)電路（見圖 6）。
下面將詳細描述這些方法。
全集成: 對 PoE 設(shè)備而言，全集成解決方案是實現(xiàn)緊湊方案的絕佳方法。我們常對PoE 解決方案提出這樣的疑問：系統(tǒng)能否包含 PD 和 DC/DC 變換器？方案能否包括熱插拔 MOSFET 和功率 MOSFET？
這兩個疑問的答案都是肯定的。通過集成 PD、變換器和 MOSFET，設(shè)計人員可以顯著減小 PCB 尺寸并縮短設(shè)計周期。集成解決方案還可以降低BOM 成本，因為簡化的解決方案需要的外部元件也更少。反饋電路: 傳統(tǒng)反激電路需要穩(wěn)壓器、光耦反饋網(wǎng)絡(luò)、環(huán)路補償和軟啟動電路。通過圖 8我們可以看出這些電路的復雜性，例如傳統(tǒng)的 SSR 反饋電路。隨著反激技術(shù)的發(fā)展，后來出現(xiàn)了原邊反饋法（第一代 PSR 反饋）；但這種類型的電路通常包含輔助繞組。
The?MP8017?PoE PD 解決方案采用了一種新的反饋方法，稱為第二代PSR 反饋。該系統(tǒng)不需要輔助繞組或光耦合器（見圖 7），它利用 SW 引腳對輸出電壓 (VOUT)進行采樣。這種方法具備的優(yōu)勢如下所述：變壓器不需要輔助繞組，從而簡化了設(shè)計電路；
變壓器成本降低；
額外的電源繞組可以纏繞在同一磁芯上，以降低阻抗并提高效率。
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