作者：Steven R. Tom, 德州儀器 (TI) 電源接口產品系統工程師

引言

以太網供電 (PoE) 參數是由 IEEE 802.3-2005 第 33 條所制定的，其不但確定了允許的架構，而且還確定了以太網供電系統可提供的較大功率1。現行標準規定兩對線纜結構的末端產生較大的功率為 12.95W。由于終端設備變得日益復雜，這就要求有比 IEEE 標準所允許的電源功率更為強大、架構更具有靈活性的電力能源。本文介紹了一種特殊的均流技術，這種技術采用了四對線纜體系構架，使得傳輸到終端的功率可以達到 50 瓦特。

以太網電源兩對/四對架構綜述

典型的以太網電源端到端解決方案包括一個被稱為"供電設備"(PSE) 的電源，一個被稱為"用電設備"(PD) 的終端設備。供電設備可能以獨立或者嵌入的形式存在于路由器或交換機中。現在使用的大多數以太網線纜均為 5E 類 (CAT5E) 線纜，這種線纜是由四組未屏蔽的銅雙絞線構成。

圖 1 顯示了可以在 CAT5E 類線纜上傳輸電力的可能架構。圖 1a 展示的架構通過兩對 CAT5E 線纜形成的單環路將電力由供電設備傳送到用電設備。IEEE 標準規定電力可以在單環路的兩對線纜中傳輸，而不能同時在所有四對線纜中傳輸。圖 1b 在四對線纜中采用兩個電流環，這樣的結構增加了較終傳遞給用電設備的功率。四對線纜架構的主要優點在于導線數量的增加，從而降低了功率損耗，并且增加輸入到終端設備的功率。而主要的缺點在于成本的提高和為了確保在兩個電流環之間的均流所帶給系統的復雜性增加。

在四對線纜架構中，兩個電流回路都進給一個單獨的 DC/DC 轉換器。如果每個回路的阻抗是相同的，那么電流的均流就是不必要的，并且每個環路都將給 DC/DC 轉換器提供電流值是所需輸入電流一半的電流。然而，電線、連接器和組件之間的不匹配會引起一個回路攜帶的電荷比另一個回路多。為了確保可靠性，在每個電流回路中的系列組件在設計時都應被設計成能夠處平衡度較差的情況，與此同時保持數據的傳輸。兩個電流回路之間的均流越差，就意味著設計更加龐大（從而成本更高）。較大功率輸出可以通過使兩個線路上電流均流實現，從而每個線路上的電流都略低于其限制電流。下面的設計實例和分析表明如何確定均流性較差的情況和如何使其較小化。

設計升流電路實例

在一個四對線纜的結構中，用電設備的檢測和分類功能必須在每兩個電流環上都實現，因此這就需要有兩個用電設備控制器。在如下的范例中，當用電設備將能源傳遞給 DC/DC 電源時，采用了兩個 TPS2376-H 控制器（請參見圖 2）。DC/DC 電源在單開關反激拓撲結構中采用 UCC3809-2，從而提供一個獨立的、負載電流是 8A 的 5V 電壓。

表 1 顯示了預先設計的方案規范被應用于此次設計。可以認為，一個通常可用的供電設備將提供 51V 到 57V 的電壓調節，而在這個調節范圍內都能給每個由兩對 CAT5E 線纜組成的電流環路提供 800mA 的電流。我們根據經驗進行合理假設，假設每兩對線纜組成的環路（較大長度 100 米）的阻值是 12.5 歐姆。CAT5E 線纜將連接到用電設備的接口，并輸入到 DC/DC 轉換器，提供一個負載電流為 8A 的 5V 電壓。為了簡化圖形和強調用電設備的接口，在圖 2 中 DC/DC 電源用一個簡單的黑盒子表示。

假設 DC/DC 轉換器的轉換效率約為 85%，那么要求輸入的功率將近 47W。根據 CAT5E 線纜的長度和供電設備的電壓大小，為了滿足輸入功率的要求，輸入電流需要在 0.825 和 1.2A 之間。

TPS2376-H 的電流限制在表 1 中羅列出來，為了在運行過程中不造成意外的關閉，在這兩個電流環中的電流都必須不超過這個值。由于 TPS2376-H 的較小電流為 625mA，圖 3 所示的升流電路是對這兩個電流環中的輸入電流進行升流，將其提高到允許的 800mA，從而獲得 800mA 下的全電勢。在實際中，電流并沒有被升高，它僅僅是在 TPS2376-H 周圍分流了。圖 3 顯示了升流器是怎樣在其中的一個電流環中起作用的。由于在 TPS2376-H 引腳 5 (RTN) 上的回流增加，R15 兩邊的壓降就增加了，相應地基極和射基之間的電壓降低就使得晶體管 Q1 開始工作。當 VR15> 0.7 V 時，流經 R15 的電流就會打開晶體管 Q1。這使得 Q1 導通，并分流了 TPS2376 – H 附近的部分返回電流。在短路或者瞬態相應狀態下，Q2 將會把 Q1 的基極鉗位到它的集電極并迫使其強行關閉，從而 Q1 提供保護。如果電流持續增大，當 VR19> 0.7 V 時，Q2 將會打開，從而分流 Q1 的基極電流，并較終使 Q1 關閉。如欲了解該電路的更多詳情，敬請參閱參考文獻 3。

使用 PSPICE 軟件對四對線纜架構進行建模

為了確保該設計可以適當的進行分流，有必要使用如 PSPICE 等仿真工具對四對線纜架構進行仿真。需要仿真的關鍵元素是每個電流環路中的各種阻抗源。如二極管電橋，CAT5E 線纜電阻，TPS2376-H 中通過場效應管 (FET) 和支持電路的各種電阻。表 2 是圖 2 中的實際示意圖以及圖 4 中的使用 PSPICE 的示意圖相關內容。

在仿真模型中，供電設備 (PSE) 是一個理想的直流電壓源，DC/DC 電源供應器是一個理想的直流電流源，CAT5E 線纜和用電設備 (PD) 接口是 4 個電路路徑。圖 4 中的顏色代碼路徑對應圖2中相應的路徑。將 PSE 仿真成一個理想的直流電壓源，DC/DC 電源供應器仿真成一個理想的直流電流源是合理的假設。這樣的假設顯著的簡化了仿真模型，將分析的重點放在了 CAT5E 和 PD 電路的均流上。

如前所述，在一個理想的電路中，每個路徑中的電流都是相等的，因為每個路徑的組成部分都是相同的。然而，由于二極管正向電壓的下降，線纜電阻以及場效應管的通過電阻的存在，致使電路中相同路徑產生不平衡。PSPICE 只允許模擬理想情況，即使用相同的元器件，同時每一個電流環路是均衡的。仿真分如下步驟進行，掃描直流 (DC) 源電流，直流電壓轉換 (I_DCDC)，記錄兩條電流環路中的每一條的電流值和直流 (DC) 源的轉換功率。直流 (DC) 源的轉換功率指的是 DC/DC 轉換器的輸入電流。（如果 DC/DC 電源供應器的效率是已知的，它可以乘以輸入功率來計算向負載供電的實際功率。）在每一條環路內部，必須要確保通過 TPS2376-H 器件場效應管的電流小于較大電流限—625mA，同時，每一條環路中的總電流不能超過 800mA。

另一個必須要考慮的變量是 CAT5E 線纜的長度。IEEE 標準允許 PD 和 PSE 之間的較長線纜長度為 100m。圖 5 給出了當線纜電阻（R12、R45、R36、R78）改動，線纜長度為 100m 和 1m 時邊角區域的仿真結果。所有的仿真是在較小 PSE 電壓—51V 下進行的，因為在該條件下輸入電流有較大值。

模擬結果證實，在匹配的條件下，電流環路將向 1、3 路徑和 2、4 路徑均等的供電。隨著輸入功率增加到超過 25W，升流電路將打開，每個電流環中的一部分電流將分流至 TPS2376 - H。當 DC/DC 電源供應器的輸入功率為 48W 并且連接 PD 和 PSE 之間的線纜長度為 100m 時，每一個 TPS2376-H 器件所能分流的較大電流值是 465mA。每一個雙層電流環路中的較大電流為 599mA（465 mA + 134 mA）。該仿真結果是可以接受的，因為 TPS2376-H 的較大電流小于 625mA 的電流限，并且每一個雙層電流環路的較大電流小于 800mA。

了解環路阻抗不匹配的原因

為了確保性能的可靠性，了解環路阻抗不匹配產生的原因非常重要，這樣我們就可以將較壞的失衡情況輸入到仿真模型進行模擬。圖6的仿真電路將下列變量的較大值納入考慮范圍：二極管正向電壓，1％ 的電阻容限，通過場效應管的較大導通電阻容限。除此以外，3% 的較大線纜長度電阻容限也符合 IEEE 標準。

我們調整了以上變量的值，使阻抗的失配存在于同一個電流回路中，從而引起較大程度的不均衡。再運行一次前面提到的 4 對線纜架構仿真模型來驗證每對線纜中電流的失衡。如圖7所示，使用一根 100m 長的線纜時，通過每一個 TPS2376-H 器件的較大電流為 488mA；線纜長度為 1m 時該電流為 498mA。線纜長度 100m 時，較大可用電流（在這個例子中的路徑 1 和路徑 2）為640mA；線纜長度為 1m 時為 660mA。由于較大失衡電流在 TPS2376-H 中沒有超過 625mA 在每一條電流回路中也沒有超過 800mA，所以該設計仍然符合較初的設計規范。

板級結果

我們搭建和測試了一塊評估電路板來確認仿真的正確性。圖 8 給出了在恒溫25°C 的理想實驗室環境下每一路回路電流的測量值。該板級結果證明了通過 TPS2376-H 后產生一個電流失衡，線纜長度 100m 僅為 10mA（2.1%），1m 時為1mA（0.2%）。效仿較壞情況下的條件，將二極管和電阻與 R78 電流回路的返回路徑相串聯，重新測試評估電路板。二極管的正向壓降 (0.7V) 和 0.5Ω 的附加電阻被計算進去，用以補償較壞情況下二極管前向壓降的變化量和系統的電阻容限。通過合理的板級測試來指導測量實際電流回路失衡是可行的。如圖 9 所示，使用一根 100m 長的線纜時，通過每一個 TPS2376-H 器件的較大電流為 488mA；線纜長度為 1m 時該電流為 484mA。線纜長度 100m 時，較大可用電流（在這個例子中的路徑 1 和路徑 2）為 648mA；線纜長度為 1m 時為 640mA。由于較大失衡電流在 TPS2376-H 中沒有超過 625mA 在每一條電流回路中也沒有超過 800mA，所以該設計仍然符合較初的設計規范。

結論

總體而言，仿真和板級結果均證實，在 CAT5E 以太網線纜中，通過控制流過每個 TPS2376-H 的返回電流不超過它的較小電流限并且不超過允許的較大電流，升流電路可以滿足均流的較初設計要求。這個附加的均流電路改善了兩個電流回路之間的均流性能，這樣以來，線路、連接器以及其它器件的容差將不會導致我們的設計超出設計規范。

參考文獻

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