滿足高功率應用需求　PoE+設計升級亟待實現

因應高功率需求　制訂PoE+標準

即將被用來實現PSE和PD相互識別的新型分級機制，便是其中要求謹慎工程設計的領域之一，這種相互識別必須具備以下的能力，包括PSE可以正確地為802.3af(也稱之為Type 1硬體)以及802.3at(亦即Type 2硬體)PD供電、可以由802.3at PSE來為802.3af PD供電、802.3at PD可以判斷其是否具有其較高負載所需的完整可用功率。每種組合都須要擁有一種明確定義和一致的工作特性，以保持802.3標準內部的互操作性。借助一更加精密的硬體分級機制和一種新型資料層機制，讓這種相互識別能力在PoE+中得以實現。  

PoE+增添了一種被稱為「兩事件(2-event)分級」的新型硬體分級，並要求PSE必須重複進行兩次802.3af電壓探測(Voltage Probe)。PD的每次電壓探測都將導致吸收單個電流脈衝(Pulse)(圖1)，這對應於一個特定的功率電平(Power Level)。

圖1　兩事件分級和鏈路層發現協議

一開始，PSE將在資料或備用線對上確定一個約15.5～20.5伏特的電壓脈衝。PD以一個高達40毫安培的電流做出回應，該電流把四種功率等級之一傳送至PSE。

雙脈衝是一個發送至PD的指示訊號，表明連接的PSE確實是一個高功率PSE，能夠提供與802.3at功率相關聯的較高功率電平。802.3at PD以一個Class 4電流做出回應，由此向PSE傳遞這樣的資訊：自己是一個需要完整可用功率的高功率PD。802.3af中的Layer 1分級方法提供了一種可任選的方法，供PSE向PD發出詢問訊號，以確定PD的功率需求。然而，在802.3at規範中，目前指令要求Type 2 PSE至少應執行單一事件硬體分級。  

除了硬體分級的升級之外，PoE+特別工作組還定義了一種被稱為鏈路層發現協議(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)的新型資料層(Layer 2)分級，用於實現PSE和PD之間的通訊。一旦建立了一條鏈路，PSE和PD便能夠採用LLDP來確定PD的功率需求。LLDP的運用使得PSE能夠反覆詢問PD並確定PD的狀態及其功率需求。利用該機制，可以實現動態功率分配，此時PSE能夠連續地分配功率至PD(以0.1瓦為增量)，而且PD可以提出請求，並隨後交出功率。透過Layer 2進行的通訊，實現了用於獲得諸如峰值功率(Peak Power)、平均功率和工作週期等更多資訊的高級功能。隨著系統朝著更「綠色」電源環境的方向發展，這種動態功率分配肯定將成為一個重要的特點。LLDP是一種用於PSE的任選分級機制，但必須由PD來執行。如果PSE僅執行單一事件分級，則PD可透過LLDP協議來協商獲取較高的功率。圖1說明了PoE+中所採用的這兩種分級方法。  

PSE分為Midspan和Endspan這兩類。顧名思義，亦被稱為「功率注入器」的中跨控制器負責將功率注入現有的乙太網路電纜，並被放置於區域網路(LAN)交換器(Switch)和PD之間。資料不做修改地透過一個中跨PSE進行傳送。由於毋須更換交換器，因此這些控制器尤其便於現有網路中的PoE安裝。另一方面，Endspan設備則是一種具內置PoE能力的交換器(因而毋需Midspan)。當從頭開始建構一個新網路時，採用Endspan PSE。由於Midspan僅可以使用電源層(Power Layer)，因此它們運用PoE+中的新型兩事件分級來表達高功率能力。LLDP使用資料層，因此Endspan控制器可以選擇運用這種附加分級法來與PD協商功率。  

對於PoE系統而言，有PSE輸出連接器和PD輸入連接器兩個截然不同用於定義功率的位置。PoE+規範中更加重要的改進之一是，將電流的上限值規定為600毫安培。現在，PSE必須要能夠連續提供至少600毫安培的電流和一個50伏特的最小輸出電壓。這轉化為一個30瓦的PSE輸出功率。電纜電阻的模型化設計值不大於12.5歐姆，因而在PD連接器上產生了25.5瓦的可用功率。有必要把48伏特轉換效率考慮在內，這樣最終傳輸至PD負載的可用功率約為24.6瓦。  

對於較高功率的需求當然是由市場驅動的，而且對於可提供超出現行12.95瓦限值之功率的PD電源解決方案的需求，已經非常強烈。目前，有許多高功耗網路設備都提出了更高的功率要求，電路設計師如何因應所面臨的高功率需求？解決方案是，採用由凌力爾特(Linear Technology)所提供符合新型PoE+標準的PSE和PD產品進行設計，這些產品可符合新標準所設定的功率限值，而且還可為專有應用提供更高的功率。

PSE升級勢在必行

目前所面臨的挑戰是PSE製造商必須將高功率PoE+埠(Port)迅速投入實際應用。針對PoE+標準進行現有PSE設計的升級時，將會需要注意以下要項：能夠在不增加誤碼率(Bit Error Rate)的情況下接受更多偏置電流的改良型乙太網路磁性元件(Magnetics)；具較高截止電流門限的新型PSE控制器晶片；視所採用的控制器晶片之不同，有可能須要使用具較大安全工作區(Safe Operating Area, SOA)的較大金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)；較大的主電源；可能須要對各種各樣的元件，例如連接器、熔斷器、共模扼流圈(Common-mode Choke)、暫態電壓抑制器二極體、電流檢測電阻器和電磁干擾(EMI)濾波器進行升級以提供較高的電流。  

所有這些元件市面上均有供貨，而且802.3at磁性元件和晶片常可簡單地直接替代其802.3af同類產品。儘管在將PSE從802.3af過渡至802.3at時須要進行很多設計變更，但這裡將重點關注有助於這種過渡的關鍵元件--PoE+ PSE控制器。  

凌力爾特的LTC4266(圖2)是市面上第一個完全符合802.3at標準的四通道PSE控制器，而且向下相容至廣受歡迎的802.3af元件LTC4259A。LTC4266不僅為PD提供新標準強制要求的功率電平，而且還向下相容最初的PoE標準，因而使得用戶能夠混合並匹配多達4個PoE和PoE+ PD。如前文所述，為了符合802.3at標準，一個PSE必須能夠在PSE連接器的輸出端上提供30瓦的功率，如此可在補償了電纜損耗之後，可向PD輸送25.5瓦的功率。LTC4266可提供該30瓦功率，但它是在大幅度降低熱耗散的情況下達到此目的。

圖2　LTC4266四通道PoE+ PSE控制器和內建開關穩壓器的LTC4269 PoE+ PD控制器。

下一代PSE須具備高效率傳輸功率

在設計下一代PSE時，應選擇一個能夠提供較高功率電平、執行新的分級機制，並提供一個能夠高效輸送功率的可靠PoE系統的PSE控制器，這一點是很重要的。LTC4266具有極低的熱耗散，因而與採用那些整合了不甚堅固、且通常具有較高RDS(ON)的MOSFET的PSE控制器所進行的設計相比，熱設計得到了顯著的簡化。LTC4266支援使用外部MOSFET，而且如果某個埠由於MOSFET失效的原因發生故障，這種失效將不會產生「骨牌」效應而導致相鄰通道受到牽連，而這一點恰好是採用內部MOSFET時所擔心的。LTC4266的準確度允許採用低價值的檢測電阻器(Sense Resistor)，而且更加重要的是，在管理線路電流和電壓時還可採用低RDS(ON) MOSFET。阻值可以低至0.25歐姆(對於檢測電阻器)和0.09歐姆(對於MOSFET)，因而提供了一個僅為其他PSE控制器一半的最大總通道電阻。因此，熱耗散顯著地降低了，從而使得設計師能夠在未使用散熱器(如果需要的話)的情況下，輕鬆和可靠地使用LTC4266。  

採用凌力爾特完全符合IEEE 802.3at標準的四通道PSE控制器的PSE已被應用，可在每個埠上提供30瓦功率的Midspan和Endspan設備也有現貨供應。對於那些不願意費心地從頭開始設計的PSE設計者而言，由諸多供應商包括Molex、Tyco和Belfuse公司提供的新型PoETec PSE整合式連接器模組提供了一款採用LTC4266 PSE控制器的八埠和十二埠直接替代型解決方案。

PD設計攸關效率表現

PD側的802.3af至802.3at過渡會稍微簡單一些，或者至少設計者所須考慮變更的元件較少，這是因為可能須要升級的僅有橋式整流元件、PD控制器、直流對直流(DC-DC)控制器和變壓器，如此PD負載的功率要求基本得以滿足。相較於PSE，熱損在PD中並不是什麼大問題，但功率效率仍然須要給予優先考慮。設計者還必須決定一個PD是否將能夠支援來自牆式電源轉接器的輔助電源，或是否須要對PD負載進行隔離。與PSE升級至PoE+時相似，PD設計的成功與否，在很大程度上取決於PoE+ PD控制器。  

為了將PD效率達到最高，必須做出某些關鍵的決定。對於隔離型設計，最好避免使用轉換器回饋環路中常用的光耦合器。不過，最重要的決定或許是選擇一個可實現這些高效率方法的靈活PD控制器。  

LTC4269是一款完全符合IEEE 802.3at標準的PD控制器，而且是LTC4266的配套元件(圖2)。LTC4269是一款內建開關穩壓器的全功能PD控制器，並具有低至16伏特的輔助電源支援能力。儘管，802.3at標準將PD功率的上限值規定為25.5瓦，但LTC4269並未設定電流限值，且能夠方便地提供30瓦以上的功率，從而造就了專有的功率電平，並讓實現超出PoE+標準規定範圍以外的PD功能成為可能。透過整合一個堅固的100伏特熱插拔MOSFET，LTC4269的可靠性得到了強化，該MOSFET負責在檢測和分級期間對PD控制器和DC/DC轉換器進行隔離，並提供100毫安培的湧浪電流，以在採用任何PSE的情況下，實現平順的上電變換。  

為了最佳化PD設計，LTC4269提供了兩種版本。這兩種版本的差異在於所使用的特殊開關電源。LTC4269-1內建一同步反馳控制器，而LTC4269-2則整合一同步順向控制器。反馳轉換器提供了一種低元件數設計，其優點是可透過簡單地增加繞組來獲得額外的輸出，而順向控制器則可在較高的負載電流條件下，提供略優於反馳控制器的效率。在這兩種情況下，同步整流均提供了較高的輸出功率、提升的轉換效率，以及在具有多個輸出的應用中展現更高的交叉調節性能等好處。此外，在低雜訊系統設計中，還可以使控制器同步至一個外部振盪器。  

值得注意的是，LTC4269-1運用了凌力爾特的專利無光隔離器(No-Opto)回授架構，以在無須增設光隔離器電路的情況下提供完整的IEEE 802.3隔離(圖3)。如此消除了執行光耦合器回授的缺點，包括由於光耦合器容差所導致的易變環路增益、高溫敏感性和較高的成本。回授迴路中使用的傳統光耦合器和並聯穩壓器被現有變壓器上的一個附加繞組所取代，以改善穩壓性能和效率並簡化電路。

圖3　內建同步No-Opto反馳開關穩壓器的LTC4269-1 PoE+ PD控制器。

(本文作者任職於凌力爾特)