以太网供电芯片：合规与超规

对于IEEE 802.3af/t POE（以太网供电）标准的用户而言，好处是显而易见的：任何人只要能拉5类或6类电缆，就可以撇开电工，在没有交流电插头的位置为联网应用廉价地安装电力端口和数据端口。用户可以简单地在网络设备柜中添加典型价格为39.95美元的POE电源，并把它与5类双绞线连起来。不妨把这种情景与新电源插头的成本（可达2000美元，包括人力和零件成本）以及陪电工浪费的时间作对比。

　　POE网络有两个主要组件：PSE（供电设备），比如网络交换机或中央路由器；PD（受电设备），比如VOIP电话或无线接入点，它们连至提供电力和数据的网络。配备非POE交换机的网络仍能利用POE，添加中跨电源（比如网络设备柜中的促成式电源）即可，它独立于交换机或路由器，将电力注入网络。若用UPS作为PSE的后备，即可确保包括VOIP电话在内的网络设备即便在办公室遭遇电力故障时也能继续工作。

　　VOIP电话和无线接入点的功耗较低。当前POE IEEE标准是IEEE 802.3af，它的制定者考虑到上述类型的应用，把PD的功率极限设为12.95W。但是，13W功率对于许多类型的设备而言不够用，比如多端口无线接入点以及建筑安全和监视领域的PZT（摇移/变焦/俯仰）摄像机。该标准委员会已开始制定第二版，即802.3at，或称POE Plus。该版本目前是草案形式，把PD能消耗的最大功率增值25W。半导体厂商们已经推出了多种基于草案版的POE IC，目标是促成功率更高的POE PD（图1）。（另请参阅“POE devices cater to higher-Powered applications”，见http://www.edn.com/article/CA6600506.html。）但是，25W对于某些应用而言仍然不够用，它们可能需要远大于30W的功率。

图1POE-PD接口芯片可处理IEEE802

　　IEEE 802.3at标准委员会一开始设置的极限为30W，后来把它降至25W，这是因为测试数据表明：当安装者把5类或6类电缆埋在一大捆电缆中，并且它承载着高达750mA电流时，它的温度会显著上升。委员会并不担心安全性，这是因为这种情况下起火的可能性微乎其微，而是担心：当5类或6类电缆温度超过 60℃时，它的信号质量会退化。

　　但是，需要较高功率的应用所需的电缆并非总是捆在一起。例如，具有低温加热器、IR（红外线）灯、可操纵麦克风等特性的PZT安全摄像机经常位于室外，并有专用电缆。这些应用的系统设计者可以考虑使用非标准版POE，它们在其中遵循所有802.3at参数，唯独最大PD功耗例外。着眼于这些非标准应用，所有面向POE Plus版的POE接口IC都能支持大于25W的功率。

　　偏离行业标准可能是一种令人生畏的举动，但如果PD需要大于25W的功率，那么人们也许就别无选择。但是，人们可以采取措施来降低与非标准途径有关的风险。首先，确保设备设计方案的确需要大于25W的功率。过去的PD有一个几乎所有电子设备都有的共同特点，它是在能源价格猛涨之前出现的：能效很低。五至十年前，电源的能效经常仅为80%或更低。人们现在应该可以买到或设计效率超过90%的电源，它提供的额外功率也许足够大，使得设计方案不必超过该标准的25W极限。
　
　　但是，如果PD拥有高效率电源，并且仍需要大于25W的功率，则人们随后也许会考虑网络电缆。人们的应用将必须借助最低标准的电缆来工作吗？如果的确如此，则人们必须顾及电缆系统中相当高的损耗。另一方面，如果人们可为自己的设备规定电缆，则他们可从5类改用6类，后者一般具有更大的导线直径，并且电阻和浪费的功率相应更低。

　　德州仪器公司(TI) POE产品部经理Mike McCormick说：“随着时间的推移，电缆在承载更多电力时将会出现退化，这是因为以太网电缆并非真正的电力输送电缆。它们不是实心电缆，它们的主要用途是信号传输。因此，当我们用它们提供电力时，它们并非最佳导体。你必须意识到自己的客户将使用哪种类型的电缆，当然，前提是你将使用某种超标的东西。如果你的设备不是标准型，那么使用标准电缆也许就没有意义了。”

　　当采用非标准并且因此更昂贵的电缆时，应确保得到营销部的认可，因为这方面的参数经常是由该部门定的。McCormick说：“我遇到过一些在为室外电缆安装做设计的客户，他们的营销部说，‘不，我们必须采用最普通的电缆标准’。” 但是，室外数据通信客户端的配线安装基础并不好。把自己的产品限制于面向不同环境的“标准”电缆，也许没有意义。[U2]

图2老式以太网系统如果添加中跨电源就能包含POE能力该电源把POE电压注入网络Phihong公司的单端口POE60U-560G提供60W价格为62美元

　　另一个选择是不是仅使用两对，而是使用四对电缆，这也是POE标准允许的。中跨电源制造商Phihong Power公司营销副总裁Keith Hopwood（图2）表示：虽然他听说过欧洲的几个使用两对电缆的安装趣闻，但他从未遇到过任何不使用四对电缆的安装事例。利用四对电缆，就可增加PD 可用的功率大小，并使电缆中的热量最少。在某个时候，如果布线和安装成本变得很大，就需要评估采用交流电插头是否有可能是最佳途径。

　　对于非标准安装而言，电阻性电缆损耗问题也会是一件令人惊讶的事情，这是因为该标准保证的PD处可用功率不再庇护人们的设计方案。该标准对每个PD保证 13W，并且它还把电缆延伸长度限制为100m。一旦采用非标准途径，人们就必须计算功率以及电缆导致的电压降，并确定PD处的可用功率。

　　如果人们正在把PSE能力设计到标准系统或非标准系统所用的交换机中，他们就必须确保交换机实际上是使用它为PD分配的功率。Maxim公司POE产品业务开发经理Harmik Singh强调了为PSE做功率预算的重要性。他说：“功率很宝贵，你不会希望为PD分配超过实际消耗量的功率。” 如果PD把自己标识为将需要25W或更高功率的POE Plus型设备，但仅消耗10W，则PSE应有能力确定这种情况，使得它不分配未使用的功率。例如，Maxim公司的MAX5952 PSE控制IC能测量PD正在消耗的实际电流，从而把PD的功耗数字化并实时报告，使得系统控制器能分配实际的用电量。

　　由于非标准 POE安装会引起这么多担心，因此有必要问一问：为何不制定一项适应功率较高设备的规范呢？ TI公司的McCormick提供了答案：“在网络界，每项可选功能最终都会变成一项要求。” 与必须为每端口提供25W的设计相比，必须为每端口供应50W的96端口交换机是一种更复杂更昂贵的设计，其中的特别原因是市场上的高功率PD虽然相当多，但很可能不会主导市场。例如，某种8端口路由器，如果每端口提供50W，则路由器将负担400W，而多数应用将不会使用这么大的功率。

　　正当POE使得以太网在办公室和工厂变得越来越有吸引力时，它的电力与数据组合还使它在安全摄像机和传感器网络等室外应用中也具有了吸引力。但是，一旦电子通信系统来到室外，它们对电涌的易感性就会急剧上升。闪电最有可能成为灾难性电涌的源头，但其它随机事件也可能会通过网络发送具有破坏性的电涌。以太网电缆充当了天线，实际上会接收任何电涌、放电或瞬变。

　　PD接口控制IC带有各种保护方案。TI公司的产品家族配备了最低内部保护，方便设计者为最终应用量身定做设计方案。McCormick说：“在电压抑制器和二极管方面，我们认为你最好是去找保护器件厂商。” 他指出：人们可获得更高额定电压，并且这些器件能处理的功率比混合信号器件高得多。

　　其它IC厂商也提供集成电涌保护。例如，安森美半导体公司的NCP108X POE-PD接口控制器提供3kV电缆ESD保护，这是因为该公司采用汽车质量级（http://www.edn.com/hot-topic/48804/automotive-electronics.html）高压工艺来装配该器件。Akros Silicon公司的AS1135 PD控制器提供高于16.5kV气隙放电、8kV接触放电、6kV电涌片上保护，并具有很低的接地阻抗路径。