可提供13W到70W功率的PoE+电路设计指南

以太网供电(PoE+)应用目前遵循IEEE标准802.3af，它即将在今年的第二季度被802.3at(PoE+)所替代，新的PoE+标准将可为用电设备(PD)提供大约2倍的功率。本文提出一个简单的工作在PoE+功率级(30W)的PD电路，它借助了一个外部MOSFET和一个针对旧版802.3af标准设计的控制器。讨论内容覆盖了尚未正式公布的新的802at标准对PD的要求，以及将现有的802.3af控制器(MAX5941B)扩展用于PoE+ PD的好处。本文还包含了对3.3V输出、30W用电设备的一些测试结果，如效率、输出纹波、动态响应和输入浪涌电流的限制。

迅速增长的PoE应用现在要求高出目前802.3af标准(12.95W)支持的功率级别。为了满足这一要求，IEEE于2005年9月开始于制定一个新标准(802.3at)，它将通过以太网电缆提供的功率扩大到至少30W。不过，在等待802.3at标准被正式批准的同时，业界需要“准PoE+”电路来满足当前应用的实际需求。

因此，本文提出了一个基于上面提及的PoE控制器(MAX5941B)的准PoE+ PD电源电路，如图1所示。它能够满足许多PoE+应用对更高功率的要求，并保持了与802.3af标准的后向兼容性。通过简单地增加一个外部MOSFET，你可以将PD接口的功率从802.3af标准的级别增加到802.3at PD的最大功率(70W)以上。下面将讨论PoE+的要求、MAX5941B的性能特点以及如何为PD提供一个3.3V输出的30W电源。

图1：基于MAX5941B的准PoE+ PD电源电路可在3.3V输出电压下提供30W功率。

PoE+的要求

IEEE 802.3at标准建议的一些目标如下：

1. 802.3at应当遵循802.3af标准中有关的电源安全性规则和限制。

2. 802.3at PSE必须后向兼容802.3af，它应当能够为802.3af和802.3at PD供电。

3. 802.3at PSE能够为PD提供实际允许的最大功率(最少30W)。

4. 当连接到一个早期的802.3af PSE时，802.3at PD能够向用户指出需要一个802.3at PSE。

802.3at PD必须能够被802.3at PSE识别出来、检测出来和供电，还应当能为其下游负载提供足够的功率。为了适应新的802.3at功率要求，目前的PD控制器面临以下问题和设计挑战：

1. Class 4 PD分级。

2. 这些控制器的内部PD接口隔离开关不能处理高出设计最大值12.95W的功率级别。

3. 许多目前PD控制器设定的电流限制低于802.3at要求的功率级别。

幸运的是，MAX5941B控制器只需对外部元件做很少的改动就能够为“准PoE+ ”PD提供高达70W的功率。为了满足PoE系统中的PD供电需求，它集成了一个完整的带PD接口的802.3af电源IC，和适用于隔离或非隔离电源设计中的反激或正激转换器的紧凑DC/DC PWM控制器。

MAX5941B控制器可满足以下PoE+要求:

1. Class4 PD分级：该控制器已经包含了针对Class4 PD分级的规定，你仅需要改变外部分级设置电阻值。

2. 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，它用于在检测和分级的启动协议期间隔离PD。由于这个MOSFET设计针对802.3af规定的功率级(高达12.95W)，因此低于802.3at应用的功率等级。

MAX5941B内部的MOSFET栅极输入连接到引脚7，因此你可以简单地通过在该引脚上连接一个外部MOSFET来提高PD接口开关的额定功率。新的额定功率可以从12.95W扩展到70W或以上，具体取决于你选择的外部MOSFET的尺寸。外部MOSFET的导通电阻必须保证流经内部开关的电流在其安全工作范围内。

3. 改变电流限制：很多现有的PD控制器提供两个限流级别。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。不仅802.3af标准不需要第二级限流，而且PoE+应用实际上也禁止使用这些PD控制器。

MAX5941B控制器允许用户对输入浪涌电流进行编程，但却不需要加入第二级限流。由于用户可以选择低于400mA的输入浪涌电流限制，从而使该控制器可马上适用于PoE+应用。输入浪涌过程结束后，PD马上就可以进行更高功率的PoE+操作，无需更换IC或外部电路。

在PoE+系统中，限制功率传输的瓶颈是电缆的电流承载能力。在相关的标准如TR42.7中，为了确定在不同复杂限制条件下电缆的电流承载能力，必须对PoE+电缆进行大量的测试。目前，TR42.7推荐在45oC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45oC，受I2函数的影响，在60oC时你可将电流值降到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

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)