高功率PoE系统设计方案

高功率PoE系统设计方案

摘要 以太网供电标准IEEE802.3af定义的48 V最高12.95 W的功率限制，制约了高功率网络设备的接入。本文设计了一种兼容标准最高25 W的可监控以太网供电系统，重点介绍了此系统的软硬件设计实现过程；并给出了PD控制器的设计原理，以及在RFID系统中的应用。

关键词  以太网供电  PoE  PSE  TPS23841  TPS2376-H

　　IEEE802.3af标准的制定推动了以太网供电技术的使用，而TI公司推出的兼容标准的高功率供电管理芯片TPS23841和TPS2376H，很好地解决了25 W以内网络设备的接入问题。本文基于以上两种芯片设计出兼容标准的高功率以太网供电系统。

1  IEEE802.3af标准简介[1]

　　IEEE802.3af标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送48 V直流电源的方法,它将以太网供电（Power over Ethernet，PoE）技术引入到现有的网络基础设施中，最大传输距离为100 m。PoE由供电设备PSE和受电设备PD组成。PSE分为端接式和中跨式两种类型，主要实现对PD的检测、功率分级（可选）、供电和断电等功能；PD主要作为标准识别设备，返回各种符合标准的信号以及持续工作信号，从而完成整个供电过程。

2  PSE系统结构组成[23]

　　PSE主要实现上述电源管理功能，系统由硬件和软件两部分构成。PSE系统结构如图1所示,16位单片机MSP430F147通过模拟I2C总线对TPS23841内部寄存器进行读/写，来实现电源管理功能；通过P4.0设置TPS23841的工作模式；通过P2.7获得出错信号，从而通过P4.2对TPS23841产生有效的复位信号。系统中对必要的信号及电源进行了隔离，MSP430F147通过UART接口经MAX13085转换为RS485电平后与供电监控PC机通信，当没有与PC机连接时系统会自主运行。

　　TPS23841的工作电压范围为21.5~57 V,比IEEE802.3af标准定义的电压范围大得多。也就是说，TPS23841可以提供上述电压范围的供电，这使得以太网供电技术可以应用在医疗、工业等24 V的供电系统中。同时，可以通过提高输入电压的方法将传输功率提高到25 W，供电可以通过1/2、3/6或者4/5、7/8号线对传输到远端PD。在特殊情况下也可以通过4个线对同时传输供电，这样可以获得更高的传输功率。 交流断路检测电路用来产生交流断路检测信号，地址设置电路用来设置TPS23841的I2C设备地址，通过设置不同的地址可以接入多个TPS23841，从而达到扩展供电端口的目的。MSP430F147通过内部集成的温度传感器实时监控系统工作温度，当过热时启动风扇散热。

图1  PSE系统结构图

3  PSE的硬件设计

　　PSE的供电管理功能主要由TPS23841实现。TPS23841运行时内部工作所需的10 V、6.3 V和3.3 V由外部供电产生，每个供电端口可以提供高达570 mA的电流，而对每个PD可以提供最高25 W的功率。TPS23841内部集成了4个独立的15位A/D转换器，用来测量每个口的电阻、电压、电流,可以更加精确地实现供电管理功能。如图2所示，PSE的硬件电路主要由TPS23841及其外围电路组成。在4个供电回路中加入自恢复保险丝来实现过流保护的功能，通过加入瞬间电压抑制器实现过压保护的功能，由50、51脚引出的电路产生交流断路检测信号，在各供电端口加入了显示电路。I2C的5位地址由外部拨码开关S1设置，三线I2C总线经过光耦隔离后连接成为标准的两线I2C总线。在PSE系统中，通过对MSP430F147编程来实现电源的高级管理功能。

图2  PSE硬件原理图

图3  PSE运行控制流程

4  PSE的软件设计[23]

　　TPS23841内部集成了标准的I2C模块， MSP430F147通过I2C通信实现高级电源管理功能。TPS23841具有3种工作模式，分别为自动模式（AM）、半自动模式（SAM）和供电管理模式（PMM）。AM模式下，TPS23841不需要微控制器控制，自动实现对PD的检测、分级和供电等功能，此模式下采用DC断路检测法检测PD是否断开；在SAM模式下，TPS23841运行在AM模式下，但可以通过I2C总线来读取所有状态寄存器和A/D寄存器的内容，并且可以不需要微控制器参与而自动完成对PD的检测；在PMM模式下，可以执行AC断路检测，并且可以获得每个PD的电压与电流参数，供电管理更加灵活。当TPS23841工作在SAM和PMM模式时需要微控制器MSP430F147来完成整个供电管理过程。PSE的运行控制过程如图3所示。控制程序主要实现系统初始化、控制TPS23841、与PC通信，以及对数据进行封装与解析等功能。当没有与PC机连接时，设置TPS23841工作在AM模式下，TPS23841将自主运行；当与PC机连接时，系统将按照用户的要求将 TPS23841设置为相应的工作模式，在SAM和PMM模式下，能够采集到各个端口的运行参数，在PMM模式下可以对各个端口的供电进行控制。系统最后将采集到的数据封装后通过RS485发送到PC机。

图4  PD设计原理图

5  PD的设计与实现[4]

　　TPS2376H是TI公司推出的兼容标准的高功率PD控制器，PD的设计原理如图4所示，整流桥做极性保护用，瞬间电压抑制器D1用来消除过压造成的损害。当作为标准PD设计时，TPS2376H的外部检测电阻、分级电阻按照标准定义的参数进行设置。当作为高功率PD设计时，PSE需要提供52~57 V的供电电压，TPS2376H的分级电阻需要设置为标准定义的备用级别4级。此时PD可以接收TPS23841传送的最高25 W的功率，高功率传输可以通过提高传输电压来获得，同时也可以通过以太网线的4个线对供电，这样传输的功率是两线对传输功率的2倍。两种方式有各自的优点。两线对供电用在IEEE802.3af系统中，一线对用来传输电流，另一线对用来作为回路，其余两个线对不传输供电，是一种最简单的实现方法，但是对于不供电的两个线对却不能很好的利用，这是一种损失。四线对供电降低了电缆的阻抗，但却增加了线对的电流平衡问题，不同的隔离变压器阻抗、电缆、连接器和PD方的整流桥都会导致供电线对的电流不平衡，PD端可以通过2个独立的DC/DC转换器来解决这个问题，在24 V的供电系统中为了防止误分级PSE应选择不分级操作。PD后端采用LT1074HVIT将电压转换为设备工作需要的5 V或3.3 V电压，LT1074HVIT的输入电压为10~60 V，输出电流最大为5 A，输出电压可以根据Vout=2.21×(1+R1/R2)来进行设置。

6  PoE在RFID系统中的应用

　　在RFID应用系统设计时，读写器的供电问题是必须要考虑的，对基于以太网通信的读写器来说，采用以太网供电技术将大大降低读写器的成本。在实际应用中将PSE系统和交换机集成在一起设计出了端接式PSE（即PoESwitch），使得应用更加灵活方便。典型应用如图5所示。

图5  PoESwitch在RFID系统中的应用

　　当PoESwitch侦测到读写器、无线接入点为合法的PD后，将执行可选的分级操作，之后将向它们供电，同时由监控PC上的PSE终端监控软件完成对各个供电端口的监控。

结语

　　本设计采用MSP430F147单片机和以太网供电管理器TPS23841、TPS2376H开发了兼容IEEE802.3af标准的高功率PoE系统。此系统也可应用在医疗、工业等21.5～57 V、最高功率为25 W的供电环境中，具有良好的兼容性。