設計端對端PoE系統 順利傳輸PSE與PD間之電流

在討論乙太網路供電(Power over Ethernet, PoE)所既有的許多挑戰之前，重新檢視PoE中所定義的基本任務是相當重要的。簡單地說，PoE連結允許供電裝置(Power Source Equipment, PSE)提供高達12.95W之電力給受電裝置(Powered Device, PD)。PoE連結或傳輸埠受控於PSE，而PSE在供電與監視傳輸埠(ICUT、ILIM以及斷開)之前，透過偵測與分級來辨識PD，PoE大部分的負擔是在PSE上，它必須執行偵測與無失誤斷開連線，否則傳統式裝置將受到損傷。如果PSE無法適當地執行分級、電力傳送與監視，則將導致間續性的失敗與不穩定。PSE不可能控制所有事情，當其提供電力時，它相信PD是遵守標準、不會在啟動時產生振盪和汲取超過所需電力的，因為此兩類型裝置必須互相合作。  

PD與PSD設計者應該從兩個裝置的觀點，考量以下的議題，即使PoE專用集體電路(IC)的逐漸普及，系統設計者也不能忽略這些議題。PD與PSE的介面控制器IC並非都一樣，而且即使此終極晶片，也無法處理基板與系統層級的問題。  

為了關注新的應用，IEEE委員會目前正制定一個類似的標準以提供更高的功率。如果應用能在一個合適的環境下提供PSE與PD兩端的控制，或許今天能實現非相容於標準、高功率的電路。  

PSE以偵測功能發現PD  

偵測可避免舊有設備受到PoE的48V輸出而損壞，並且也是建立PoE連線的主要步驟，也正因為如此，它是PSE最重要的責任，沒有適當偵測，PSE其他所有功能都是無用的。PSE控制器IC偵測電路不應該誤導，以利用雜訊、偏移、鬆脫連線或複數阻抗來發現PD，容忍與排斥外來雜訊是重要關鍵，因為25K阻抗是經由長達100M的電纜所測得，而沒有一般對絞線所具有排斥共模雜訊的優點，當電感性耦合入電纜，所造成的雜訊振幅可逼近測量訊號的位準。  

採用MOSFET分級電壓  

在分級時，PSE必須維持一個介於15.5～20.5V的輸出，如此才可測量出PD的分級署名，從而決定PD所需功率。一個不良的分級測量或一個錯誤的電源配置架構可導致PSE過載，進而使整個PoE網路停擺。  

一些PSE控制器重新採用MOSFET，而MOSFET會在一個低壓差(Low Drop Out)的組態下切換電源入連接埠，進而穩定地調節從PSE 48V供應而來的分級電壓。然而LDO對負載阻抗來說相當敏感且難以補償，分級是一個獨特而巧妙的LDO電路，具有穩壓作用，因為乙太電纜會在LDO與負載間嵌入電感。此外，旁路電容必須小於0.52μF，當一個PSE控制器IC採用此方法，系統設計者必須非常小心地遵照IC供應商的建議，但如此仍不能確保穩定性。  

對分級穩定性最大的威脅也許就是PD，802.3af標準要求PD在汲取電流時，只須滿足5等級(Class)中的一種。PD也許會汲取非常小的電流，直到連結埠電壓達到14.5～20.5V的分級範圍內，當到達此點，PD可打開開關並隨即將連接埠負載增加至高達44mA(Class4)。此負載增加的過程可能造成埠電壓過調超出分級範圍，甚至達48V，所以PD會關掉其等級電流直到PSE將輸出拉回至可控制情況，之後再次開始循環。PD設計者在PD請求其分級電流時，應該限制電流增加的速率。具有如圖1所示的I-V特徵之PD會有較溫和的行為。IEEE標準將所有分級穩定性的責任全部託付給PSE，PSE設計者必須接受委託而且確保不論PD的行為為何，其裝置皆能提供穩定輸出。  

除了迴轉率或di/dt，當PD開啟其分級電流，PD之I-V曲線上的大多數區域都是未規範的，就像那些顯示於圖1中所隱示的界限。標準並沒有談到介於偵測(10.1V)與分級(14.5V)之間、與分級(20.5V)和啟動(30V)之間的PD電流。一個技術上兼容的PD在這些範圍下可不汲取任何電流，而有一些PD控制器IC在這些範圍下則汲取非常少的電流，這會產生互操作性問題的風險。假設連接埠的電壓接近48V，因為電源剛被關掉，而PSE又不須主動地為連接埠放電；則在高於30V的情況下，PD啟動且其負載電路將快速地為連接埠放電至30V。達30V後，PD必須關閉。假如PD不須連續汲取一些電流，埠電壓會維持近30V，防止PD被反覆偵測。在這兩種未定義的區間，建議PD應該約略保持在這些界限內。  

分級是可選擇的，在對PD供電之前，PSE不須針對其進行分級，且Class0允許PD不須參與分級。然而，客戶將期望分級的存在，因未分級的裝置將形成電力的浪費，進而浪費金錢。分級提供3個功率級距，在相對應級距內的PD必須保證不會越級。  

雖然分級可讓PSE之可用電力獲得較好的利用，802.3a標準仍然重視可靠度超過效率。PSE不能使其自身過載，為達此目的，標準要求一個電源計算與保存架構，稱為電源配置，其可當作預防過載的主要方法。當PSE供電到PD，不論PSE的其他埠上發生什麼事，該電力皆可獲得保障。對所有由PSE供電的PD，PSE保存分級適當的電力，並維持總保存電力在其電源供應的能力範圍內，因此PSE總是有足夠的電力以滿足PD需求。  

以供電測試PD設計  

啟動電源是PD設計的一個真實測試，因為PD必須防止埠電壓產生振盪。當埠電壓介於30～40V之間時，PD必須啟動，此即意謂將一個大型輸入旁路電容接入埠中。大電容與PSE電流限制的結合，導致埠電壓可降至低於30V，甚至可達0V，如果因為埠電壓下降而導致PD關閉，PD將在開啟與關閉間開始跳動。PD設計可藉由不對其電流設限使埠電壓保持在供電範圍，從而防護電動板效應發生，亦或PD可允許電壓下降，但其啟動狀態必須被維持在一定時間內，不管埠電壓情況為何。大多數市面上所見的PD控制器，使用一種結合電流限制與分隔PD啟動電壓和其關閉電壓的作法。電流限制防止埠電壓下降過大，而遲滯確保PD在遭受小幅壓降時，可保持在啟動狀態。  

對於PSE而言，供電到一個埠，測試著其用於控制埠電流之MOSFET對於處理電源的能力。此MOSFET所花費較多的時間，若非在導通狀態，就是在斷開狀態，且功率消耗極小，甚至是零，因此吸引著設計者選擇較小元件。然而，就在MOSFET限制埠電流的50～75ms間，功率消耗可高達25.7W。保持MOSFET的安全操作區域(SOA)可能是一個挑戰，有些PSE利用放置多顆MOSFET於相同封裝則更加劇此問題。以迴路失調方式解決此問題，將導致在每一個埠啟動間產生一分鐘或更久且惱人的冷卻延遲，PSE可以使用返送迴路以減少MOSFET的發熱情況，當埠電壓低於30V時，802.3af標準允許埠電流限制可低至60mA(圖2)。如此當連接埠於0V時，可削減MOSFET的功率至3.4W，或當連接埠於30V時達12.2W，所以PSE可使用小型、較便宜的MOSFET。  

偵測PD存在進行斷電  

偵測PD的移除與關閉電源，在IEEE稱為斷線，此部分與決定要供電同等重要。不論哪一種情況，所造成的錯誤結果是一樣的，亦即損壞設備。直流(DC)斷線，其依賴測量埠電流以判斷PD的持續存在，在觀念上與實施上是單純的。交流(AC)斷線以低頻AC測量埠阻抗偵測PD的存在，AC斷線必須偵測在乙太電纜遠端的PD阻抗，還須同時提供一個穩定輸出電壓以對PD供電。PSE設計者利用置入一個串聯於PSE輸出的二極體，來操縱這些互相矛盾的約束。如果AC斷線電路沒有適當地設計，μA位準的漏電流已足夠啟動此埠，假如系統使用AC斷線，就必須非常小心地檢查其斷漏電流與溫度的敏感度。  

PD應該配備暫態抑制器，因為在啟動與關閉時也會遭受高電壓，即使已有保護，有些PD介面IC會因連續性地電纜插拔而受損。  

PoE Plus向下相容 擴大應用  

13W對於基本的網路(IP)電話是足夠的，但對於電控照相機、多重無線存取點和擁有大彩色螢幕的裝置而言卻是極端受限。IEEE目前正研議一個較高功率標準，稱為PoE Plus(IEEE802.3at)，其將會與現今已有的802.3af裝置共存。  

雖然典型的CAT5電纜包含四對對絞線，802.3af標準允許在任一時間只有兩對可傳輸電流。一個選項是允許額外電流流入第三與第四對，加倍可用電力。第二個選項則是提高電流限制，允許更多電力流入相同的兩對絞線，這些技術的每一項均已出現在專利的PoE系統；然而，每一項皆有其缺點，很難在複雜之間做選擇。  

利用全部四對對絞線具有供應最多電力到PD的潛力，因為其使用電纜中全部的導體，減小端對端電阻與其所產生的功率損失。然而，為全部四對對絞線供電約略加倍埠控制器電路的成本，因為一個四對的PSE必須為每一對提供偵測與錯誤控制，一個四對的PD依次必須限制從每一對對絞線所汲取的電流，而且即使當進入的雙絞線出現明顯不同電壓時，還必須維持電流的平衡。  

使用兩對對絞線選項可避免成本與電流平衡的問題，且只須對已存在於現今802.3af設計中的電路進行極少修改。兩對設計的成本是當電纜增長時的功率損失，因為相較於四對對絞線的情況，只具有半數的電纜傳輸電流。功率損失會使電纜升溫，從而增加連接器接腳與配線盤導線的應力，在高於30W時，這些因素會變得重要。在高電流位準情況下也會加劇響鈴效應，這是因為在插拔發生時所產生的寄生電感會提高損壞PD或PSE電路的風險。  

任何高功率架構必須與802.3af系統保有回溯相容，802.3af PD必須能接上PoE Plus PSE系統且正常工作，當發生錯誤時，必須在802.3af的狀態下被切斷以求安全。當PoE Plus PD接入到802.3af PSE系統，必須能適當地引發如降低其能力以工作於有限的可用電力內，或對使用者發出插入錯誤類型PSE示警的失效情況。  

從乙太網路埠中可獲得的最大化電力將開啟新的PoE應用，在保持容易使用及一致性行為以使802.3af一舉成功的同時，還必須增加電力則是PoE Plus必須面對的挑戰。  

(本文作者任職於凌特科技)  

(詳細圖表請見新通訊61期3月號)