设计以太网供电(PoE)解决方案

设计以太网供电 (PoE) 解决方案

以太网供电（PoE）供电是一种利用网线来传输功率的供电方案，由供电设备（PSE)、受电设备（PD）以及网线构成。随着IP设备应用的普及，PoE供电凭借安装成本低、易扩展、好管理以及全球兼容等特点，受到人们的普遍欢迎。

自2003年PoE供电协议（IEEE802.3 af）被提出，PoE历经十几年的发展，目前支持的最大传输功率已经达到90W（IEEE802.3 bt）。其主要应用场景包括IP-Phone，IP-camera，Access Point 和 5G室内小基站等等。

图1: 典型PoE应用

由于网线结构以及应用场合的特殊性，PoE供电必须满足以下条件：

根据不同的PoE类型和功率传输大小，选择合适的物理连接方式，正确连接电路；

协议握手成功匹配，包括检测阶段、功率分类阶段以及软启动阶段；

满足PSE最小功率维持要求。确保PD设备能够产生足够的电流信号，让PSE维持功率输出，并避免误断开。

PoE 电源设计

PoE电源设计主要包含两个部分：PSE与PD的协议握手部分；PD的DC/DC变换部分。

协议握手部分依赖专有的协议工业控制系统 (ICS)，采用远程和本地监控，以及数据采集系统。单从 PD 的 DC/DC 转换角度来看， PoE 解决方案可以分为四个部分：电路拓扑、PoE 尺寸优化、PoE 效率和电磁兼容性 (EMC) 问题分析。

电路拓扑：

PoE应用成本取决于电路拓扑的类型。非隔离拓扑性价比高，但安全性不高，主要在小功率消费类产品中应用，例如IP-phnoe以及室内IP-camera等。隔离类拓扑，安全性高，在室外或者大功率应用场合比较常见，例如工业AP或者5G小基站等。

图2: 不同电路拓扑之间的权衡

PoE电源尺寸的优化：

对最为常见的反激电路而言，通过提高开关频率、选择连续导通工作模式（CCM）以及原边反馈（PSR）方案，可以尽可能地减小电源尺寸（如图3所示）。

图3: 采用高频率、CCM、PSR模式尽可能减小电源尺寸

MP8017 是一款兼容 IEEE 802.3af 的 PD，它具有集成 PD 接口和反激式变换器。MP8017 无需辅助绕组即可提供原边调节，从而实现了器件优化。它还可以设置为有源钳位反激拓扑的副边调节。该器件提供检测与分类功能，同时还具有电流限制、可配置软启动时间、通过频率抖动降低 EMI ，以及过载保护 (OLP) 和过温保护 (OTP) 等功能。 MP8017 能够为PoE PD 应用提供前端解决方案。

PoE电源效率的提升：

反激电路的功率损耗主要集中在功率MOSFET、变压器以及二极管三方面。图 4对开关、导通、变压器和二极管产生的损耗进行了分析，并给出了一系列效率优化措施。

图4: 反激电路的功耗分析

EMC问题分析：

当多个电子设备之间相互产生不利影响且场强过大时，会产生电磁干扰（EMI）。本文给出两个实用方案，可以帮助解决电磁兼容性（EMC）问题。

第一种方法是降低开关速度，增加吸收电路，并缩短高频电路以减少噪声源。第二种方法是合理设计 EMC 滤波器来抑制耦合路径上的噪声传递，以此来抑制耦合路径。

另外，控制芯片的稳定功能能够显著降低噪声尖峰。在相同条件下，具有稳压功能的变换器更有可能满足 EMC 标准。

结论

本文讨论了 PoE 的一般需求和 PD的 DC/DC 转换设计。MPS 提供的PoE 电源解决方案适用于当前所有的协议级别（af、at 和 bt），同时具有BOM精简、效率高、EMC性能优以及其他设计优势。

要了解有关 PoE 应用的更多信息，请参考设计有源钳位正激变换器（上）和（下）的相关文章。

审核编辑：汤梓红