单芯片电源管理和端口控制器解决方案

以太网供电 (PoE) 的主要优势体现在它的简易性上。但在 IEEE 802.3 以太网标准中引入对 (PoE+) 的“at”修订后，与原始规范中的 15 瓦相比，可供用电设备 (PD) 使用的功率增加到了 30 瓦 (W)。对于采用多个端口的系统而言，提高 PoE+ 容量要求使用更大的电源才能满足需求。而且，系统往往包含多个电源以实现冗余，这些都可能有悖于 PoE 的简易性。

在典型的多端口 PoE+ 实现中，并非所有用电设备都需要最大功率，因此允许使用小一些的电源。然而，要想在可能包含数十个用电设备的系统中管理来自多个电源的不同功率水平，这一设计挑战依然令人望而生畏。

可行的解决方案是让电源系统基于专门的电源管理芯片。此类芯片通过端口控制器，管理从主电源和备用电源提供给多个具有不同功率要求的用电设备的功率。

本文首先介绍 PoE 和 PoE+ 的基础知识，然后介绍单芯片电源管理和端口控制器解决方案，并展示这些解决方案如何简化多端口 PoE+ 系统的设计。

PoE 和 PoE+ 基础知识

PoE 的简易性体现在，在一根 CAT 5 电缆上结合了供电和通信功能。与使用单独的电源和数据网络相比，工程师可利用此功能快速、低成本地设计和构建维护要求较低的网络。

PoE 在世纪之交取得了迅猛的发展，互联网语音协议电话 (VoIP) 开始利用基于以太网的专有技术，允许在同一网络上同时传输数据和电力。

2003 年 6 月，IEEE 将 PoE 规范采纳为现有 IEEE 802.3 以太网标准的修订 (“af”)，对此概念进行了标准化。2009 年采用了第二项修订“at”，能够让 PoE 安全地处理更高功率。

IEEE 802.3af 可以向网络中的每个用电设备提供高达 15.4 瓦和 44 至 57 伏的直流电（在连接点提供 12.95 瓦的保证功率）。根据电源要求，可将用电设备定义为 1 类、2 类或 3 类。该技术使用单个标准 RJ45 连接器和一根 CAT 5（如果电源要求较低则为 CAT 3）电缆。

该标准的“B 方案”在 CAT 5 电缆四对电线中两对未用于传输以太网数据的电线上传输电力。“A 方案”则在电缆的数据导线上施加共模电压，为连接的设备供电。由于以太网使用差分信号传输数据，因此施加的电压不会影响功能。

IEEE 802.3at 可以向 4 类用电设备提供高达 30 瓦（到用电设备为 25.5 瓦）和 50 到 57 伏的直流电。与早期技术的 350 毫安 (mA) 相比，PoE+ 的最大电流为 600 毫安 (mA)。PoE+ 仅使用 CAT 5 电缆，降低了阻抗和功率损耗。

IEEE 802.3at 修订版向后兼容 IEEE 802.3af，而最新的 IEEE802.3-2012 标准则合并了 802.3at 规范。

除功率等级之外，PoE 元件可划分为两个类型：

• 1 型兼容 IEEE 802.3af 规范。

• 2 型兼容 IEEE 802.3af 和 802.3at 规范。

最新版的标准禁止在 CAT 5 电缆的所有四对双绞线上传输电力。不过，所谓“4 对 PoE”的提议也已取得进展，最早可能于今年（2018 年）加入到标准中。4 对 PoE 引入了 5 类、6 类、7 类和 8 类用电设备，可提供高达 90 瓦（到用电设备为 71 瓦）和 960 mA 的电力。

PoE 系统的要素

IEEE 802.3af 定义了两种类型的 PoE 设备：用电设备 (PD) 和供电设备 (PSE)。PSE 从传统电源吸收功率，然后管理在以太网上分配的电力。反过来，PD 通过 RJ45 连接器获得供电，因而无需使用内置电源。PoE 能够在运行长度达数十米 (m) 的典型以太网电缆上为用电设备供电。

PoE 标准规定了 PSE 与 PD 之间的信号传送。此信号传送可让 PSE 检测到符合规范的设备，避免对连接到网络的非 PoE 设备造成可能的损害。导线间施加了 2.8 到 10 伏的直流电压，连接的用电设备提供 19 到 27 千欧 (kΩ) 的阻性负载，并使用不超过 120 毫微法 (nF) 的并联电容器作为“签名”。检测到 PSE 后，PSE 将与 PD 协商，确定所需的功率。

PSE 以端点或中跨方式获得供电。端点（或 PoE 交换机）是采用 PoE/PoE+ 传输电路的以太网交换机。中跨是位于常规以太网交换机与用电设备之间的 PoE“供电器”，目的是在不影响现有网络信号完整性的情况下增加功率。

端点通常用于新安装的设备，或在较旧的网络完全升级至 PoE+ 时使用。在需要保留现有的以太网交换机以降低成本和简化安装的情况下，可采用中跨进行 PoE+ 网络升级（图 1）。中跨供电器的示例如 Microsemi Corporation 符合 IEEE 802.3at 规范的 PD 9001。

图 1：在将现有的以太网升级至 PoE 时通常使用中跨 PoE 安装，因为这样可以保留已安装的电缆并降低成本。（图片来源：Microsemi Corp.）

端点和中跨实现还有一点更重要的区别；规范仅允许在 B 方案的实现（即在电缆中的非数据传输对上传输电力时）中使用中跨（图 2）。

图 2(a)：PoE/PoE+ B 方案要求在 CAT 5 以太网电缆的备用线对（非信号）上传输电力。中跨 PoE 实现只能使用此配置。（图片来源：Silicon Labs）

图 2(b)：PoE/PoE+ A 方案要求在 CAT 5 以太网电缆的信号线对上传输电力。端点 PoE 实现可使用 A 方案和 B 方案配置。（图片来源：Silicon Labs）

早期的 PSE 采用分立电路，并划分为电源与以太网络之间的通信接口。为简化 PoE 系统设计，有厂家后来引入了集成的 PSE 控制器，将 PoE+ 接口电路与电源结合起来。最近，系统设计得到了进一步简化，增加了 PSE 控制器的功能，如此便可通过集成一个微控制器实现多端口的本地监控。

实用 PoE 电源管理 IC 解决方案

Silicon Labs 的 Si3459 PoE PSE 端口控制器是一个单芯片解决方案实例。该芯片设计为在 PSE 端点中使用，并且集成了八个独立端口，每个都带有用电设备检测和分类功能。此外，Si3459 还可实现使用直流检测算法的用电设备断连、软件可配置每端口电流和电压监视以及可编程限流功能。尽管芯片集成了一个 8051 微控制器，但还需要一个主机处理器才能实现完全控制。此处理器通过一个三线 I2C 兼容型串行接口与 Si3459 通信。通过在 PoE 系统中使用 Si3459，设计人员可以大幅减少设计的元件数和复杂度。

Silicon Labs 提供了适合基于 Si3459 的设计的评估套件 Si3459-KIT。在正常工作期间，Si3459 由主机处理器通过芯片的 I2C 接口进行控制，套件中包含图形用户界面 (GUI)，因而可以更轻松地显示和控制 Si3459 的 I2C 寄存器。评估套件需要使用 PC，通过提供的 GUI 来控制评估板。套件包含两个支持 16 端口演示系统的 Si3459 控制器。每个端口可提供 30 瓦的功率。

在计算 PoE 系统的功率要求时，需要考虑电缆损耗，这一点很重要。在 1 型配置中，该规格允许的 PSE 与 PD 之间的最大电缆电阻为 20 Ω (Rmax)（图 3）。此外，标准中还规定了 PSE 最大输出电流 (IPSE_out_max)、PSE 最小输出电压 (VPSE_out_min) 和 PSE 输出功率 (PPSE_out)。此配置会造成约 2.5 瓦的电缆损耗，以及 PD 处出现相应的功率和电压下降。

图 3：在这个 1 型配置中，20 Ω 电缆电阻导致电缆上出现 2.45 瓦的功率损耗。因此，传输到用电设备的功率降至 12.95 瓦，电压则降至 37 伏。（图片来源：Silicon Labs）

类别PSE Pout 最大值 [W]Rcable 最大值 [Ω]PSE Vout 最小值 [V]PSE Iout 最大值 [mA]最大电缆损耗 [W]PD Pinmax [W]015.402044350.002.4512.9513.84204487.270.153.6926.492044147.500.446.05315.402044350.002.4512.95430.0012.550600.004.5025.50

表 1：PoE 0 类、1 类、2 类和 3 类（1 型）以及 4 类（2 型）电缆的功率损耗。（图片来源：Silicon Labs）

配置多端口 PoE 安装

POE+ 的采纳增强了该技术的实用性，因为它的功率传输更高，允许开发人员连接高耗电的设备，例如带有平移、倾斜和缩放功能的安防摄像机。不过，包含数十个用电设备的大型系统需要大型电源，并且设计非常复杂。例如，考虑一个包含 50 个用电设备的系统，且所有设备均吸收可供 2 型系统使用的最大功率；这时电源需要提供 1.5 千瓦（50 x 30 瓦）功率。而且，大型商用 PoE+ 系统往往包含备用电源，以应对主设备故障。

但在典型的大规模 PoE+ 安装中，许多用电设备并不要求系统能够提供最大功率。例如，Wi-Fi 路由器、VoIP 电话和 LED 灯等设备需要的功率小于 10 瓦。尽管这会降低电源的总体需求，但它增加了配置系统电源管理的难度。

芯片供应商通过提供电源管理控制器，减轻了设计人员的 PoE+ 电源管理负担。这些集成的设备（例如 Silicon Labs 的 Si3484）将会监控多端口 PoE+ 实现的所有功率要求。

Si3484 作为电源管理器，旨在监控多达 64 个端口（由三个成组电源供电），从而实现单一系统电源。尽管 Si3484 能够向所有 64 个端口提供 30 W 功率，但它的主要设计用途是对混合了 0 类、1 类、2 类和 3 类设备以及在 2 型安装中使用 4 类设备的系统进行配置。

设计人员可通过芯片的 SPI 或 UART 接口配置 Si3484 电源管理控制器，以设置系统的电源容量、端口功率配置（1 型或 2 型）、端口优先级、检测定时（在方案 A 与方案 B 之间略有不同），以及故障恢复协议。完成设定后，Si3484 无需主机处理器介入便可工作。可提供并连续更新端口和总体状态信息。

Si3484 设计成与上述 Si3459 PoE PSE 端口控制器配合使用。该电源管理控制器使用 Si3459 的实时过载和电流监控功能来管理在 64 个端口之间共享的电源（图 4）。

图 4：Silicon Labs 的 Si3484 电源管理控制器可与该公司的 Si3459 端口控制器配合使用，用于控制多个电源并配置多个 0 类、1 类、2 类、3 类和 4 类端口的输出。（图片来源：Silicon Labs）

PoE 电源管理

单个 Si3484 电源管理控制器可支持多达 8 个 Si3459 端口控制器（每个包含 8 个端口），从而构建出一个包含 64 个端口的安装。端口控制器负责低级端口功能，如用电设备的检测和分类，而电源管理控制器则监控所有端口之间的功率分配。

开发人员可以为每个端口配置可选的功率限制，以限制电源管理器提供给特定设备的最大功率。如果用电设备的功率要求大于分配给端口的限制，则该请求将被拒绝，以避免系统过载。

将更多的用电设备连接到备用端口后，电源管理控制器会根据用电设备的分类确定可能的功率要求。如果有足够的开销，则进行供电，否则拒绝该请求。Si3484 也可以在连接过程中动态调整授予用电设备的功率。在发生端口过载时，电源管理控制器会关闭该端口。

Si3484 芯片使用基于授权或用量的策略，并考虑电缆损耗，将功率分配给每个端口。按照基于授权的策略，端口不论使用与否，都被分配设定的功率。新用电设备的功率将从剩余的功率开销中分配。此方法的优势在于，如果用电设备的功耗在工作期间增大，则可以增加供电 – 前提是没有超过原始授权。不足之处在于效率低下，因为新的用电设备无法接入现有授权的未使用分配量（图 5a）。

图 5a：Si3484 可实现基于授权的电源管理策略，其中的用电设备不论使用与否，都会被分配了预设的功率。这种策略以系统效率为代价，实现了灵活的用电设备功耗。（图片来源：Silicon Labs）

基于用量的策略更加高效，但如果用电设备的用量超过了原始分配量，则可能导致端口过载。为避免重复发生系统过载，开发人员可以指定禁止功率保留，在现有用电设备功耗升至超过原始分配量时服务现有用电设备，而不是将其分配给新设备。

开发人员还可以配置 Si3484 在短时间内提供功率过载。这种过载通常在现代电源的能力范围以内，前提条件是不会持续过长时间（图 5b）。

图 5b：基于用量的电源管理策略更加高效，并可实现功率分配的保留和过载。（图片来源：Silicon Labs）

在工作期间，如果系统过载小于过载限制，则电源管理控制器会按照优先级顺序关闭端口，直至系统不再受到压力。如果系统已严重过载（如果三个电源中的一个离线，可能会发生这种情况），Si3484 将会关闭所有低优先级端口，然后按照优先级顺序逐一关闭更多端口，直至系统恢复安全状态。

总结

PoE 和 PoE+ 使得以太网络不但可以传输数据，而且还能传输电力。在标准中增加 IEEE 802.3at 修订后，扩充了这种技术的适用范围，能够接受诸如移动安防摄像机之类更高功耗的设备。

不过，大型系统中如果有多个高功率端口，则需要使用大型电源和细致的电源管理，以避免系统过载和损坏。电源管理控制器简化了设计，允许开发人员配置多端口 PoE 系统，从而精确、高效地满足应用的需求。