概述

随着PoE (以太网供电)应用的迅速发展，对功率的需求也越来越高，已经高出目前IEEE 802.3af标准(12.95W)的指标。为了满足这一需求，IEEE于2005年9月开始于制定新标准(IEEE 802.3at)，旨在扩展以太网供电功率(30W以上)。预计该标准将在2008年的第二季度推出，新的PoE升级标准(PoE+)将为用电设备(PD)提供大约双倍的有效功率。

在IEEE 802.3at获得正式批准之前，业内需要一个“准PoE+"电路，以满足当前的应用需求。本文介绍了一个简单的、能够提供PoE+功率(30W)的PD电路，利用外部MOSFET和针对原802.3af标准设计的控制器实现。

图1所示电路利用MAX5941B PoE控制器构建为准PoE+ PD供电的电源，能够满足多数大功率PoE+应用的要求，并保持了802.3af标准的向后兼容性。通过增加一个外部MOSFET，可以按比例调节或增大PD接口的有效功率，功率范围可以从802.3af的标准等级扩展到70W，远远超出了802.3at PD推荐的最大功率。

图1. “准PoE+”供电电路提供3.3V、30W输出，为了达到这一目的，电路在MAX5941B PoE电路的基础上简单增加了一个MOSFET

PoE+要求

IEEE 802.3at¹标准建议的PoE+设计目标如下：

• IEEE 802.3at应当遵循802.3af制定的电源安全性规则和限制
• 802.3at PSE必须向后兼容802.3af：能够为802.3af和802.3at PD供电
• 802.3at PSE能够提供PD允许的最大功率(最少30W)，受限于实际应用
• 802.3at PD连接到早期的802.3af PSE时，能够向用户显示需要802.3at PSE

802.3at PD必须能够由802.3at PSE识别、检测和供电，为其下游负载提供足够的功率。为满足新的802.3at功率的需求，目前的PD控制器面临以下问题和设计挑战：

• 4级PD分级
• 这些控制器的内部PD接口隔离开关不能处理高于最大12.95W的功率等级
• 许多目前PD控制器的电流限制低于802.3at要求的功率等级

幸运的是，MAX5941B控制器能够为“准PoE+” PD提供70W的功率，而外部元件只需很少改动。为了满足PoE系统中的PD供电需求，它集成了一个完整的802.3af兼容电源IC，包括一个PD接口和紧凑的DC-DC PWM控制器，该控制器可以在隔离或非隔离电源设计中用作反激或正激转换器。²

结构简单的高性价比准PoE+方案

通过以下调节，能够使MAX5941B控制器满足PoE+的要求:

• 4级PD分级：该控制器已经包含了4级PD分级，仅仅需要改变外部的分级设置电阻。
  
• PD接口隔离开关的额定功率：所有现有的PD控制器都包含一个MOSFET，在开启协议检测和分级时隔离PD。由于这个MOSFET为802.3af规定的功率级(12.95W)设计，所以低于802.3at应用的功率等级。
  
  MAX5941B内部MOSFET的栅极输入连接到引脚7，简单地在该引脚连接一个外部MOSFET可以提高PD接口开关的功率。新的功率要求可以从12.95W到70W以上，具体取决于外部MOSFET的额定功率。外部MOSFET的R_DS(ON)必须保证流经内部开关的电流在其安全工作范围内。
  
• 改变电流限制：很多当前的PD控制器提供两级限流门限。第一级设置为低于400mA，用于限制上电时PD的输入浪涌电流；第二级设置为高于400mA。不但802.3af标准不需要第二级限流，在实际的PoE+应用中也禁止使用这些PD控制器。
  
  MAX5941B控制器允许用户编程输入浪涌电流，但却不需要加入第二级限流。由于用户可以设置低于400mA的输入浪涌电流限制，从技术上解决了PoE+应用的兼容性问题。输入浪涌过程结束后，PD准备就绪，可以工作在更高功率的PoE+系统，无需更换IC或更改外部电路。
  
  在PoE+系统中，电缆所能承载的电流是限制功率传输的瓶颈。在相关标准中，例如TR42.7³，为了确定不同条件下电缆的电流承载能力，对PoE+电缆进行了大量的测试。目前，TR42.7推荐在45°C最大环境温度下，5e类、6类和6A类电缆每线对能够承载的最大电流是720mA (每根导线360mA)。超过45°C时，受I²函数的影响，60°C时额定值降到0mA，其中I是流经电缆的电流。因此，对于两线对的PoE+系统，所允许的PD最大功率约为30W。据此，我们为准PoE+ PD设计了一个30W的供电电路。

PD接口

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图2. 30W PD接口原理图

30W PD供电电路的原理图如图2所示。N10是增加的外部MOSFET，用于增强PD接口隔离开关，以达到PoE+的功率等级。R8 (178Ω)是用来设置4级功率等级的R_CL。这个30W的PD能够从准802.3at PSE接收功率。两对UTP线缆连接到快捷插座连接器FastJack™ J1，连接器集成了10/100 Base-TX VoIP磁模块。两个二极管桥功率整流器(D4，D5)用于分离PSE送出的-48V直流电源。

隔离开关(由MAX5941B内部功率MOSFET和外部MOSFET N10组成)限制启动时的输入浪涌电流。MAX5941B通过一个典型10µA 的恒流源给MOSFET的栅极充电。MOSFET漏极至栅极之间的电容通过限制漏极电压的上升速度限制输入浪涌电流。可以通过在GATE和OUT之间外加一个电容进一步减小输入浪涌电流。以下公式用于计算输入浪涌电流：



PoE+应用的输入浪涌电流限制在400mA (最大值)以内。图3波形(从图2电路中测得)显示当输入电压大约为39V时，输入浪涌电流低于108mA，39V是缺省的欠压锁定电平(UVLO)。当负载电流为7A时，流经隔离开关的总平均电流是680mA。

图3. 准PoE+ PD输入浪涌电流的限制
Ch1：3.3V输出，1VDC/格
Ch4：输入电流，200mA/格
时基：100ms/格

3.3V、30W DC-DC转换器

PD的DC-DC转换器如图4所示，用于PoE的电源转换有两种主要架构：反激和正激转换器。反激转换器需要的器件数最少、成本最低，但峰值电流较高，因此需要更大的输出电容和/或两级滤波器，以减小输出电压纹波。

图4. 用于30W PoE+ PD的DC-DC转换器原理图
对于单输出、大电流转换器，推荐使用具有同步整流的单端正激变换器，这种架构非常适合PoE应用，具有高效、低EMI、成本低等优势，本设计选择了这种架构。由于同步整流正激变换器的原理在MAX5941B评估板的数据资料中进行了详细描述，这里不再赘述。

测试结果

为了评估DC-DC转换器性能我们进行了大量测试，图5给出了电源电压为48V时测得的效率与输出电流的对应关系曲线，这里没有考虑两个二极管桥整流器(D4，D5)的功耗(如果考虑这些因素，效率下降约5%)。
图4所示PD电源的输出纹波(图6)是在最差工作条件下测试的：57V输入电压、9A负载。所得结果(大约50mV)基本符合PoE+应用的要求，例如802.11n接入点、大功率VoIP视频电话以及监控摄像头等。增加一个低ESR陶瓷电容有助于得到更低的输出纹波，转换器的波特图(图7)显示相位裕度为45°，增益裕度为10dB，具有较好的响应能力。
对于一些特定应用，只需用PD接口的前级(图2)配合用户已有的DC-DC转换器工作即可。针对这种要求，可以选择Maxim的PD控制器系列(MAX5940B)产品，配合外部MOSFET和MAX15000 DC-DC控制器使用。
图5. 准PoE+ PD效率与输出电流的关系

图5. 准PoE+ PD效率与输出电流的关系

图6. 准PoE+ PD的输出纹波
Ch1：3.3V输出，50mVAC/格
Ch2：3.3V的负载电流，5A/格
时基：2µs/格

图7. 最大输入电压和输出电流下DC-DC转换器的波特图

结论

在IEEE 802.3at标准发布之前，本文提供的PD电路(图2)是解决PoE+供电问题的一个快速、有效、灵活的方案。它符合该标准的电流要求(草案0.9)⁴，并保持了向下兼容性，兼容于当前的IEEE 802.3af标准。采用同步整流正激DC-DC转换器可以获得高效、低EMI以及低成本设计。如果连接PSE和PD的电缆能够承载足够的电流，电路中的MAX5941B控制器能够轻松升级PD设计，输出功率可以达到甚至超过70W。
参考文献

1. Approved objectives for IEEE standard P802.3at, Jul 21 05
2. IEEE 802.3at-compliant, power-over-Ethernet interface/PWM controller for powered devices, MAX5941A/MAX5941B
3. Analysis of current-carrying capacity, TR42.7 update to IEEE standard 802.3at
4. IEEE standard 802.3at, draft 0.9 (private)

This application note is based on an article that appeared in the October 2007 issue of Power Electronics Technology Magazine, a Penton Publication.