单芯片电源管理和端口控制器解决方案

PoE 和 PoE+ 基础知识

PoE 的简易性体现在，在一根 CAT 5 电缆上结合了供电和通信功能。与使用单独的电源和数据网络相比，工程师可利用此功能快速、低成本地设计和构建维护要求较低的网络。

PoE 在世纪之交取得了迅猛的发展，互联网语音协议电话 (VoIP) 开始利用基于以太网的专有技术，允许在同一网络上同时传输数据和电力。

2003 年 6 月，IEEE 将 PoE 规范采纳为现有 IEEE 802.3 以太网标准的修订 (“af”)，对此概念进行了标准化。2009 年采用了第二项修订“at”，能够让 PoE 安全地处理更高功率。

IEEE 802.3af 可以向网络中的每个用电设备提供高达 15.4 瓦和 44 至 57 伏的直流电(在连接点提供 12.95 瓦的保证功率)。根据电源要求，可将用电设备定义为 1 类、2 类或 3 类。该技术使用单个标准 RJ45 连接器和一根 CAT 5(如果电源要求较低则为 CAT 3)电缆。

该标准的“B 方案”在 CAT 5 电缆四对电线中两对未用于传输以太网数据的电线上传输电力。“A 方案”则在电缆的数据导线上施加共模电压，为连接的设备供电。由于以太网使用差分信号传输数据，因此施加的电压不会影响功能。

IEEE 802.3at 可以向 4 类用电设备提供高达 30 瓦(到用电设备为 25.5 瓦)和 50 到 57 伏的直流电。与早期技术的 350 毫安 (mA) 相比，PoE+ 的最大电流为 600 毫安 (mA)。PoE+ 仅使用 CAT 5 电缆，降低了阻抗和功率损耗。

IEEE 802.3at 修订版向后兼容 IEEE 802.3af，而最新的 IEEE802.3-2012 标准则合并了 802.3at 规范。

除功率等级之外，PoE 元件可划分为两个类型：

1 型兼容 IEEE 802.3af 规范。

2 型兼容 IEEE 802.3af 和 802.3at 规范。

最新版的标准禁止在 CAT 5 电缆的所有四对双绞线上传输电力。不过，所谓“4 对 PoE”的提议也已取得进展，最早可能于今年(2018 年)加入到标准中。4 对 PoE 引入了 5 类、6 类、7 类和 8 类用电设备，可提供高达 90 瓦(到用电设备为 71 瓦)和 960 mA 的电力。

PoE 系统的要素

IEEE 802.3af 定义了两种类型的 PoE 设备：用电设备 (PD) 和供电设备 (PSE)。PSE 从传统电源吸收功率，然后管理在以太网上分配的电力。反过来，PD 通过 RJ45 连接器获得供电，因而无需使用内置电源。PoE 能够在运行长度达数十米 (m) 的典型以太网电缆上为用电设备供电。

PoE 标准规定了 PSE 与 PD 之间的信号传送。此信号传送可让 PSE 检测到符合规范的设备，避免对连接到网络的非 PoE 设备造成可能的损害。导线间施加了 2.8 到 10 伏的直流电压，连接的用电设备提供 19 到 27 千欧 (kΩ) 的阻性负载，并使用不超过 120 毫微法 (nF) 的并联电容器作为“签名”。检测到 PSE 后，PSE 将与 PD 协商，确定所需的功率。

PSE 以端点或中跨方式获得供电。端点(或 PoE 交换机)是采用 PoE/PoE+ 传输电路的以太网交换机。中跨是位于常规以太网交换机与用电设备之间的 PoE“供电器”，目的是在不影响现有网络信号完整性的情况下增加功率。

端点通常用于新安装的设备，或在较旧的网络完全升级至 PoE+ 时使用。在需要保留现有的以太网交换机以降低成本和简化安装的情况下，可采用中跨进行 PoE+ 网络升级(图 1)。中跨供电器的示例如 Microsemi Corporation 符合 IEEE 802.3at 规范的 PD 9001。

中跨 PoE 安装示意图

图 1：在将现有的以太网升级至 PoE 时通常使用中跨 PoE 安装，因为这样可以保留已安装的电缆并降低成本。(图片：Microsemi Corp.)

端点和中跨实现还有一点更重要的区别;规范仅允许在 B 方案的实现(即在电缆中的非数据传输对上传输电力时)中使用中跨(图 2)。

PoE/PoE+ B 方案示意图

图 2(a)：PoE/PoE+ B 方案要求在 CAT 5 以太网电缆的备用线对(非信号)上传输电力。中跨 PoE 实现只能使用此配置。(图片：Silicon Labs)

PoE/PoE+ A 方案示意图

图 2(b)：PoE/PoE+ A 方案要求在 CAT 5 以太网电缆的信号线对上传输电力。端点 PoE 实现可使用 A 方案和 B 方案配置。(图片：Silicon Labs)

早期的 PSE 采用分立电路，并划分为电源与以太网络之间的通信接口。为简化 PoE 系统设计，有厂家后来引入了集成的 PSE 控制器，将 PoE+ 接口电路与电源结合起来。最近，系统设计得到了进一步简化，增加了 PSE 控制器的功能，如此便可通过集成一个微控制器实现多端口的本地监控。

实用 PoE 电源管理 IC 解决方案

Silicon Labs 的 Si3459 PoE PSE 端口控制器是一个单芯片解决方案实例。该芯片设计为在 PSE 端点中使用，并且集成了八个独立端口，每个都带有用电设备检测和分类功能。此外，Si3459 还可实现使用直流检测算法的用电设备断连、软件可配置每端口电流和电压监视以及可编程限流功能。尽管芯片集成了一个 8051 微控制器，但还需要一个主机处理器才能实现完全控制。此处理器通过一个三线 I2C 兼容型串行接口与 Si3459 通信。通过在 PoE 系统中使用 Si3459，设计人员可以大幅减少设计的元件数和复杂度。

Silicon Labs 提供了适合基于 Si3459 的设计的评估套件 Si3459-KIT。在正常工作期间，Si3459 由主机处理器通过芯片的 I2C 接口进行控制，套件中包含图形用户界面 (GUI)，因而可以更轻松地显示和控制 Si3459 的 I2C 寄存器。评估套件需要使用 PC，通过提供的 GUI 来控制评估板。套件包含两个支持 16 端口演示系统的 Si3459 控制器。每个端口可提供 30 瓦的功率。

在计算 PoE 系统的功率要求时，需要考虑电缆损耗，这一点很重要。在 1 型配置中，该规格允许的 PSE 与 PD 之间的最大电缆电阻为 20 Ω (Rmax)(图 3)。此外，标准中还规定了 PSE 最大输出电流 (IPSE_out_max)、PSE 最小输出电压 (VPSE_out_min) 和 PSE 输出功率 (PPSE_out)。此配置会造成约 2.5 瓦的电缆损耗，以及 PD 处出现相应的功率和电压下降。

1 型配置示意图，20 Ω 电缆电阻导致 2.45 瓦的功率损耗

图 3：在这个 1 型配置中，20 Ω 电缆电阻导致电缆上出现 2.45 瓦的功率损耗。因此，传输到用电设备的功率降至 12.95 瓦，电压则降至 37 伏。(图片：Silicon Labs)

类别PSE Pout 最大值 [W]Rcable 最大值 [Ω]PSE Vout 最小值 [V]PSE Iout 最大值 [mA]最大电缆损耗 [W]PD Pinmax [W]015.402044350.002.4512.9513.84204487.270.153.6926.492044147.500.446.05315.402044350.002.4512.95430.0012.550600.004.5025.50

表 1：PoE 0 类、1 类、2 类和 3 类(1 型)以及 4 类(2 型)电缆的功率损耗。(图片：Silicon Labs)

配置多端口 PoE 安装

POE+ 的采纳增强了该技术的实用性，因为它的功率传输更高，允许开发人员连接高耗电的设备，例如带有平移、倾斜和缩放功能的安防摄像机。不过，包含数十个用电设备的大型系统需要大型电源，并且设计非常复杂。例如，考虑一个包含 50 个用电设备的系统，且所有设备均吸收可供 2 型系统使用的最大功率;这时电源需要提供 1.5 千瓦(50 x 30 瓦)功率。而且，大型商用 PoE+ 系统往往包含备用电源，以应对主设备故障。

但在典型的大规模 PoE+ 安装中，许多用电设备并不要求系统能够提供最大功率。例如，Wi-Fi 路由器、VoIP 电话和 LED 灯等设备需要的功率小于 10 瓦。尽管这会降低电源的总体需求，但它增加了配置系统电源管理的难度。

芯片供应商通过提供电源管理控制器，减轻了设计人员的 PoE+ 电源管理负担。这些集成的设备(例如 Silicon Labs 的 Si3484)将会监控多端口 PoE+ 实现的所有功率要求。

Si3484 作为电源管理器，旨在监控多达 64 个端口(由三个成组电源供电)，从而实现单一系统电源。尽管 Si3484 能够向所有 64 个端口提供 30 W 功率，但它的主要设计用途是对混合了 0 类、1 类、2 类和 3 类设备以及在 2 型安装中使用 4 类设备的系统进行配置。

设计人员可通过芯片的 SPI 或 UART 接口配置 Si3484 电源管理控制器，以设置系统的电源容量、端口功率配置(1 型或 2 型)、端口优先级、检测定时(在方案 A 与方案 B 之间略有不同)，以及故障恢复协议。完成设定后，Si3484 无需主机处理器介入便可工作。可提供并连续更新端口和总体状态信息。

Si3484 设计成与上述 Si3459 PoE PSE 端口控制器配合使用。该电源管理控制器使用 Si3459 的实时过载和电流监控功能来管理在 64 个端口之间共享的电源(图 4)。

Silicon Labs 的 Si3484 电源管理控制器示意图

图 4：Silicon Labs 的 Si3484 电源管理控制器可与该公司的 Si3459 端口控制器配合使用，用于控制多个电源并配置多个 0 类、1 类、2 类、3 类和 4 类端口的输出。(图片：Silicon Labs)

PoE 电源管理

单个 Si3484 电源管理控制器可支持多达 8 个 Si3459 端口控制器(每个包含 8 个端口)，从而构建出一个包含 64 个端口的安装。端口控制器负责低级端口功能，如用电设备的检测和分类，而电源管理控制器则监控所有端口之间的功率分配。

开发人员可以为每个端口配置可选的功率限制，以限制电源管理器提供给特定设备的最大功率。如果用电设备的功率要求大于分配给端口的限制，则该请求将被拒绝，以避免系统过载。

将更多的用电设备连接到备用端口后，电源管理控制器会根据用电设备的分类确定可能的功率要求。如果有足够的开销，则进行供电，否则拒绝该请求。Si3484 也可以在连接过程中动态调整授予用电设备的功率。在发生端口过载时，电源管理控制器会关闭该端口。

Si3484 芯片使用基于授权或用量的策略，并考虑电缆损耗，将功率分配给每个端口。按照基于授权的策略，端口不论使用与否，都被分配设定的功率。新用电设备的功率将从剩余的功率开销中分配。此方法的优势在于，如果用电设备的功耗在工作期间增大，则可以增加供电 – 前提是没有超过原始授权。不足之处在于效率低下，因为新的用电设备无法接入现有授权的未使用分配量(图 5a)。

Silicon Labs Si3484 实现了基于授权的电源管理策略示意图

图 5a：Si3484 可实现基于授权的电源管理策略，其中的用电设备不论使用与否，都会被分配了预设的功率。这种策略以系统效率为代价，实现了灵活的用电设备功耗。(图片：Silicon Labs)

基于用量的策略更加高效，但如果用电设备的用量超过了原始分配量，则可能导致端口过载。为避免重复发生系统过载，开发人员可以指定禁止功率保留，在现有用电设备功耗升至超过原始分配量时服务现有用电设备，而不是将其分配给新设备。

开发人员还可以配置 Si3484 在短时间内提供功率过载。这种过载通常在现代电源的能力范围以内，前提条件是不会持续过长时间(图 5b)。

基于用量的电源管理策略示意图

图 5b：基于用量的电源管理策略更加高效，并可实现功率分配的保留和过载。(图片：Silicon Labs)

在工作期间，如果系统过载小于过载限制，则电源管理控制器会按照优先级顺序关闭端口，直至系统不再受到压力。如果系统已严重过载(如果三个电源中的一个离线，可能会发生这种情况)，Si3484 将会关闭所有低优先级端口，然后按照优先级顺序逐一关闭更多端口，直至系统恢复安全状态。