設計以太網(wǎng)供電 (PoE) 解決方案

以太網(wǎng)供電（PoE）供電是一種利用網(wǎng)線來傳輸功率的供電方案，由供電設備（PSE)、受電設備（PD）以及網(wǎng)線構成。隨著IP設備應用的普及，PoE供電憑借安裝成本低、易擴展、好管理以及全球兼容等特點，受到人們的普遍歡迎。

自2003年PoE供電協(xié)議（IEEE802.3 af）被提出，PoE歷經(jīng)十幾年的發(fā)展，目前支持的最大傳輸功率已經(jīng)達到90W（IEEE802.3 bt）。其主要應用場景包括IP-Phone，IP-camera，Access Point 和 5G室內小基站等等。

圖1: 典型PoE應用

由于網(wǎng)線結構以及應用場合的特殊性，PoE供電必須滿足以下條件：

根據(jù)不同的PoE類型和功率傳輸大小，選擇合適的物理連接方式，正確連接電路；

協(xié)議握手成功匹配，包括檢測階段、功率分類階段以及軟啟動階段；

滿足PSE最小功率維持要求。確保PD設備能夠產(chǎn)生足夠的電流信號，讓PSE維持功率輸出，并避免誤斷開。

PoE 電源設計

PoE電源設計主要包含兩個部分：PSE與PD的協(xié)議握手部分；PD的DC/DC變換部分。

協(xié)議握手部分依賴專有的協(xié)議工業(yè)控制系統(tǒng) (ICS)，采用遠程和本地監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單從 PD 的 DC/DC 轉換角度來看， PoE 解決方案可以分為四個部分：電路拓撲、PoE 尺寸優(yōu)化、PoE 效率和電磁兼容性 (EMC) 問題分析。

電路拓撲：

PoE應用成本取決于電路拓撲的類型。非隔離拓撲性價比高，但安全性不高，主要在小功率消費類產(chǎn)品中應用，例如IP-phnoe以及室內IP-camera等。隔離類拓撲，安全性高，在室外或者大功率應用場合比較常見，例如工業(yè)AP或者5G小基站等。

圖2: 不同電路拓撲之間的權衡

PoE電源尺寸的優(yōu)化：

對最為常見的反激電路而言，通過提高開關頻率、選擇連續(xù)導通工作模式（CCM）以及原邊反饋（PSR）方案，可以盡可能地減小電源尺寸（如圖3所示）。

圖3: 采用高頻率、CCM、PSR模式盡可能減小電源尺寸

MP8017 是一款兼容 IEEE 802.3af 的 PD，它具有集成 PD 接口和反激式變換器。MP8017 無需輔助繞組即可提供原邊調節(jié)，從而實現(xiàn)了器件優(yōu)化。它還可以設置為有源鉗位反激拓撲的副邊調節(jié)。該器件提供檢測與分類功能，同時還具有電流限制、可配置軟啟動時間、通過頻率抖動降低 EMI ，以及過載保護 (OLP) 和過溫保護 (OTP) 等功能。 MP8017 能夠為PoE PD 應用提供前端解決方案。

PoE電源效率的提升：

反激電路的功率損耗主要集中在功率MOSFET、變壓器以及二極管三方面。圖 4對開關、導通、變壓器和二極管產(chǎn)生的損耗進行了分析，并給出了一系列效率優(yōu)化措施。

圖4: 反激電路的功耗分析

EMC問題分析：

當多個電子設備之間相互產(chǎn)生不利影響且場強過大時，會產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。本文給出兩個實用方案，可以幫助解決電磁兼容性（EMC）問題。

第一種方法是降低開關速度，增加吸收電路，并縮短高頻電路以減少噪聲源。第二種方法是合理設計 EMC 濾波器來抑制耦合路徑上的噪聲傳遞，以此來抑制耦合路徑。

另外，控制芯片的穩(wěn)定功能能夠顯著降低噪聲尖峰。在相同條件下，具有穩(wěn)壓功能的變換器更有可能滿足 EMC 標準。

結論

本文討論了 PoE 的一般需求和 PD的 DC/DC 轉換設計。MPS 提供的PoE 電源解決方案適用于當前所有的協(xié)議級別（af、at 和 bt），同時具有BOM精簡、效率高、EMC性能優(yōu)以及其他設計優(yōu)勢。

要了解有關 PoE 應用的更多信息，請參考設計有源鉗位正激變換器（上）和（下）的相關文章。

審核編輯：湯梓紅