【技术大神】PoE供电设备硬件设计心得

2016-08-30 技术大神活动文章
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PoE(Power Over Ethernet),即以太网供电,是一种基于现有以太网Cat.5布线基础架构不做改动的前提下,为一些基于IP的终端设备(IP摄像头,IoT信息终端,IP电话机等)在传输数据的同时提供直流供电的新技术。PoE技术通过一系列的握手控制协议,确保网络在各种复杂情况(短路、断路、过流、过压等)下仍能安全、正常的运作。使得各种IP智能设备优势明显,具有便捷部署(一根网线搞定)、节约成本(无需外部变压器)和绿色环保(可在源端控制设备开启)的特点。

 

 
(各种支持IEEE 802.3af规范的PoE设备)

 

PoE主要由PSE(Power Sourcing Equipment)和PD(Power Device)组成。其中,PSE供电设备,一般是采购符合IEEE 802.3af的交换机来实现,随着技术的进步,市面上符合要求的供电交换机越来越丰富,价格也越来越合理。而PD用电设备,有两种解决方式:一种是采用现成的分电器,将分离出的数据与电源分别接入传统设备;另一种就是使用专用PD控制芯片将PoE功能集成进自己的设计中。两种方法都可以实现从RJ45口上取电。但很明显,第一种是为了兼容旧设备而准备的,作为一名有追求,又有时间的“攻城狮”,当然是首选第二种方案。但自己折腾,总会遇到这样那样的小问题,接下来就将我跟PoE打交道的这些年中遇到的问题,跟大家一同分享。

 

1.Mid-Span与End-Span供电方式的区别
PoE协议中,规定了两种供电方式:Mid-Span和End-Span。Mid-Span方式在我的理解中跟普通供电没有太多区别,其使用电缆内4对双绞线中未使用的2对空闲双绞线来传输电能;而End-Span方式则使用通信时所使用的2对双绞线来同时传输电能。以太网采用的是差分传输,所以叠加上的直流电压对其通信不会造成影响。在实际使用中,由于大量的工程布线采用的是只有4芯2对双绞线的电缆,End-Span方式更受到市场的青睐。


 

 

所以最基础的问题就是:购买PoE交换机时一定要确定好所支持的供电方式!笔者最开始设计POE设备时,使用某T大厂的控制芯片需外接桥堆来进行整流,因为缺乏经验,只设计了一个End-Span通道,结果调试发现完全无电,耽误了不少时间,望小伙伴引以为戒。其实,这个问题在PoE规范中有明确解释,就是设计PD时应同时支持Mid-Span和End-Span,而PSE只需要支持这两种中的一种即可,这样可确保设备的通用性,只可惜笔者刚开始没看到,白白吃了亏。

 

(IEEE 802.3af中关于PD应支持两种电源接口的说明)

 

2. PD设备最小消耗电流的限制
PoE中规定了PD设备最小消耗电流,根据不同的PSE控制芯片,此值一般在5mA到15mA之间。电流比阈值小的供电通道会被认为设备已经拔出,PSE出于安全考虑,会将此路电源做断电处理。在传统的IP摄像头和IP电话等复杂的设备中,一般不会由此引发问题,但当今MCU内部集成外设越来越复杂,越来越多的IP智能设备内部只有单个MCU来实现设计需求,因此这个地方就需要进行斟酌。

 


(IEEE 802.3af中关于PD最小维持电源的参数)


笔者曾经设计的一款PoE供电IoT数据集中器,初版进行测试时发现有无规律重启现象发生。在详细对电路进行检查后,也没有发现明显引起此现象的原因。直到有一次无意中观察到PSE供电路由器上的供电灯会同PD设备的重启一同亮灭。这才顺藤摸瓜,发现了产生此现象的缘由:由于设计中的数据集中器是采用EFM32系列高性能低功耗作为主控,虽然未做任何低功耗处理,但在系统正常运行时,除去IoT射频的接收发送,其平均消耗的工作电流竟只有2 - 3mA,而此电流仅为PoE规范内规定的最小消耗电流阈值的30%,所以经常会让网线另一端的PSE供电设备错误判断此设备已离线,主动切断了其供电。造成“复位”假象的发生。


由此笔者不禁一阵感叹,仅仅面世几年时间的POE协议,竟然如此快的就不适应当今半导体产业的发展,以前经常要几颗芯片,几百毫瓦才能实现的功能,在当今技术的支持下,可能仅需要像EFM32这样一颗芯片,几个毫瓦就搞定了。感叹归感叹,那此现象如何避免呢?很简单!既然工作电流太小,那我们就人为将电流提上来。用多余的电流做点别的事情,把它消耗掉。笔者曾经驱动过炫酷的指示灯,也驱动过散热风扇,但更多的时候其实就是默默的接个电阻消耗掉。不过友情提示:耗散电阻的封装一定要用大一点的(1206或以上),以免造成PCB局部升温,降低板子的稳定性。

 

 

 

3. 隔离降压与非隔离降压的选择
PoE规范中,PSE提供的电压是48V电信标准电压,有很多的参考设计可供选择。一般来讲,作为IP设备,由于网口RJ45上需要有1.5kV隔离电压的要求,所以设计PoE设备也要采用隔离降压电路,这也是IEEE推荐的。但,是不是必须要求隔离降压呢?我认为其实不尽然。如果是跟人体有所接触的设备,比如IP电话等,是要严格要求的,甚至在1.5kV的基础上还要达到2.5kV隔离,用以保证用户的绝对安全。但当今很多IP安全设备,本身成本很低,也不会跟人体有接触,如果严格按照隔离电源设计,则电源部分的物料成本会达到甚至超过整体设计的一半以上,这显然存在浪费。


综上所鉴笔者认为,在安全的大前提下,使用非隔离降压电路取代隔离降压电路,将带来至少三点好处。首先,BOM变简单,降低物料成本;其次,无需变压器,降低研发难度;最后,BUCK降压开关频率高,提高电源总体效率。笔者曾使用过SILICON LABSSi3402-B芯片,该芯片自身支持隔离降压与非隔离降压两种工作模式,设计者可根据具体的项目需求,灵活设计电源部分,十分好用。所以如果不能确定采用何种压降时,Si3402-B或许会是个不错的选择,甚至在确定了压降方式时,采用Si3402-B也能够给方案提供更多样的设计空间,何乐而不为。
 

 

以上三点,是笔者多年来进行PoE设备设计时的心得体会,希望对大家有所帮助。PoE看似高大上,给人一种很神秘,很高端的印象,但其实协议中的全部内容,都已经集成到了控制芯片中,如Si3402-B芯片,连高性能的整流桥、降压稳压器都进行了集成。所以对于我们“攻城狮”来说,就是轻松的找到参考设计,测试拷贝到自己的原理图中,就完成了设计的大部分内容。

 

由于笔者能力有限,文章中所说观点不一定全部正确。如有错误或遗漏,还望各位同行不吝赐教,共同进步。

 

作者:用尚科技 周正

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技术资料,数据手册,3D模型库,原理图,PCB封装文件,选型指南来源平台:世强硬创平台www.sekorm.com
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  • 六根弦 Lv5. 技术专家 2022-05-13
    有TI tps23752A 隔离方案的电路的调试资料吗?
  • 用户44774461 Lv1 2018-05-01
    周先生 请教个问题,我在使用si3402b的过程中,发现这个芯片发热严重,主板工作电流也就300ma左右 功率不高,但是si3402b,发热很厉害,不知道是否正常
  • 用户44774461 Lv1 2018-05-01
    周先生,受益匪浅,电流太小导致掉电问题帮了我的大忙 多谢
  • 用户24895491 Lv3. 高级工程师 2016-09-02
    135******50,你好!纹波大可能跟感性元件参数有关,如果在开关周期中存在磁饱和的情况,将造成无法稳压。用示波器查看下sw处电压波形,如有条件看下电感电流更好,如果出现电流突增的情况,就是磁饱和,要更换更大体积电感,提高饱和电流。
  • 用户21323990 Lv2. 工程师 2016-09-01
    请问大神,如何和你联系啊,有些技术问题想咨询下。
    • 世小强回复: 您好,您可以直接在此留言,大神是可以看到的哦!
  • 用户21323990 Lv2. 工程师 2016-09-01
    我现在用SI3402B ,产品支持POE供电,但发现电源5V输出 不稳定,纹波非常大,正想咨询下一下。
  • winthony Lv6. 高级专家 2016-08-31
    POE,很早以前做过的产品,这几年接触的少了
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