PoETec力拱PSE模組標準化　PoE+快速普及露曙光

邁向PoE+挑戰艱鉅  

雖然業界對PoE+的問世寄予厚望，但從工程設計的角度來說，PoE+所帶來的最大挑戰在於，要如何讓供電設備(PSE)製造商迅速推出高功率PoE+埠。在高功率PSE埠普及之前，高功率PD將無法獲得廣泛使用。  

若要將現有的PSE從PoE升級到PoE+，設計工程師必須導入以下幾項新的元件。首先，工程人員必須採用能夠在1Gbit/s速率條件下獲得較大偏置電流，但不會對誤碼率(Bit Error Rate)造成衝擊的改良型乙太網磁性元件；第二，工程人員必須採用具較高截止電流門限的新型PSE控制器晶片；第三，金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的尺寸可能要更大，同時工作安全區間(SOA)也要放大，但這取決於所使用的控制器晶片；第四，PSE的主電源輸出功率必須提升；第五，電流路徑中的各項被動元件都必須升級，例如連接器、熔斷器、共模扼流圈、暫態電壓抑制器二極體、電流檢測電阻和電磁干擾(EMI)濾波器，以支援較高的電流。  

目前上述元件都已經可以在市場上找到供應商，且大多數供應商的產品策略，都是盡可能將PoE+所使用的對應元件設計成可直接替代既有802.3af 元件的形式，以方便系統製造商快速實現產品升級。然而，與其從既有的PSE設計升級，倒不如直接改變材料清單，因為即便新元件可以直接代換現有元件，設計人員仍須對系統的印刷電路板布局進行大幅變更。  

舉例而言，若要實現支援PoE+的新PSE設計，勢必要採用獨立式乙太網路磁性元件，且可能須要變更整個系統的線路布局，此外，由於在線路中流通的電流增加了，因此連接RJ45連接器到變壓器的印刷電路線必須具有受控阻抗，而且還必須夠粗，方能傳輸所增加的電流。  

許多現行設計在內層採用單端50歐姆布線，其寬度通常為6密爾(mil)，並使用0.5盎司銅；有些設計則採用寬度更窄的緊密耦合差動印刷電路線。雖然這些布局設計或許可在802.3af標準規定的400毫安培電流條件下正常運作，但在802.at標準規定的600毫安培電流條件下，則可能會導致過熱的嚴重風險。因此，一個PoE+交換設備有可能須把這些線路布在外層上，因為若將線路從內層移到外層，則50歐姆布線的線寬通常可放寬到8～10密爾，且在鍍覆之後，表面層所使用的銅通常可增加到1.5盎司。  

事實上，線路布局只是PoE+設計挑戰中的冰山一角，交換器設計師所面臨的難題還不止這些。例如電流增加後，熱損也連帶提升了，因此系統可能須增設風扇或採用風力更強勁的風扇以協助散熱，但目前整個網通業界都面臨著提高網路設備能源效率的壓力，熱損增加將會使得系統的能源效率降低。此外，升級後的PSE設計必須重新進行鑑定和認證測試。上述的所有任務將會帶給交換器設計者沉重的負擔，而在許多場合中，這些設計師早已是不堪重負了。  

其中一種解決方案，是採用多埠PSE模組。目前市場上已經有一些用於802.3af PSE的模組元件，例如外觀像是雙列記憶體模組卡(DIMM)的802.3af模組，或內建PSE埠電路的電源供應器。但這類模組給設計者帶來某些重大的難題，因為它們並不包括乙太網路磁性元件或RJ45連接器，所以設計人員必須謹慎地透過磁性元件將乙太網路訊號從連接器傳輸至實體層(PHY Layer)晶片，而且必須把功率從變壓器中心抽頭傳輸至PSE埠電路。這些都是很棘手的設計挑戰。此外，即便是印刷電路線設計要保持受控阻抗、高電位餘裕(Margin)，且使線路夠粗等設計要求，就已經是頗具挑戰性的設計目標。  

PSE整合連接器模組設計應運而生  

由於上述設計挑戰，對工程設計而言，與其在現有的PSE設計中修修補補，倒不如直接採用新的架構，反而更省時省力。實現PoE+設計最有效率的方法，是把所有PSE電路和乙太網路磁性元件都內建於一個聯動連接器元件中。這將真正地簡化電路板的布局工作，因為所有的乙太網路訊號接腳均位於變壓器的實體層晶片側。由於這些接腳不傳輸直流電流，因此無須擔心每平方布線的電阻值，而且也不必擔心保持針對高電位的餘裕。工程人員可將這些線路視為普通的阻抗受控布線，將乙太網路的訊號直接傳輸至實體層晶片即可。  

有些此類PSE模組已可用於802.3af開關，但是它們的主要缺點之一是缺乏標準化。每家供應商的產品都有其特殊的接腳定義和電氣特性。一旦選擇某家製造商後，則將受限於其自家的設計方案。但在PoETec協會成立後，這種情況如今已經有了變化。  

PoETec是一家由網路設備和元件領先製造商組成的協會，致力於促進和推廣PoE技術。PoETec已經制定了一套用於業界首款標準化PSE模組的規範，而且不久就將公諸於世，他們將這款模組稱為PSE整合連接器模組(PSE-ICM)。該規範定義了PSE-ICM所有的特性規格，包括接腳定義、訊號功能和內部暫存器組。因此，採用某品牌PSE-ICM的PSE設計，將能夠簡單地直接更換另一品牌的PSE-ICM，而毋須變更電路板布局或系統軟體。  

圖1為Tyco Electronics提供的一款十二埠PSE-ICM。在撰寫本文時，Molex和Tyco Electronics兩家PoETec的成員已開始供應PSE-ICM，另兩家公司則即將出貨。目前市面上銷售的有十二埠和八埠兩種PSE-ICM，不久後十六埠PSE-ICM也可能將會問世。除了標準型PSE-ICM模組外，供應商還提供具備發光二極體(LED)和不具備LED的選項，也供應僅含磁性元件的被動模組。因此對PoE+網路交換設備製造商而言，元件選擇彈性已比先前大幅改善。

圖1　Tyco Electronics所提供的12埠PSE-ICM

圖2則是一款十二埠PSE-ICM的簡化方塊圖。它包括一個用於控制和監視PSE功能的隔離I²C介面。除了方塊圖上所顯示的功能外，該模組還內置了共模扼流圈和終端。交換器設計團隊在進行產品開發時，只須再額外提供主電源和一個用來執行電源管理軟體的外部微處理器，便可完成整個交換器設計。該PSE-ICM還可以被設定為自動模式，在該模式下，系統不必仰賴外部微處理器來進行電源管理。

圖2　典型PSE-ICM方塊圖

PSE-ICM的出現，與PSE控制晶片的進步有密切關係。在1年以前，這類產品可能還無法以合理的成本進行量產，但隨著控制晶片的進步與成熟，目前PSE-ICM已進入商品化階段。舉例來說，被用來實現PSE-ICM模組的控制晶片，不僅封裝要極為精巧，功耗也必須極低。此外，非線性折返保護功能亦是不可或缺的關鍵，若缺乏此項功能，則模組設計必須採用具較大安全工作區間的MOSFET，以避免可能產生的風險。  

PSE-ICM好處多多  

PSE-ICM除了可協助設計人員克服產品設計開發時所遭遇的種種挑戰外，在產品設計的後期階段，PSE-ICM也可讓工程人員毋須擔心EMI、雷擊突波保護、熱損等安規驗證的問題，而這些往往是整個產品開發流程中，最昂貴和耗時的環節。許多產品之所以未能如期上市，通常都是在這些關卡上遇到瓶頸。  

PSE-ICM之所以可以協助工程人員擺脫這些困擾，是因為模組供應商在銷售這類產品前，便必須先通過這些測試，因此系統設計人員在產品開發完成後，卡在認證環節的風險已大幅降低。當然，PSE-ICM外部的布局若設計不良，還是有可能會造成交換器系統達不到高電位，或EMI超標的現象發生，但現在出現這種情況的機率以經降低了。  

另外，由於市場上存在多家模組供應商，因此對交換器製造商而言，供應商間的競爭不僅帶來更低廉的價格，而且也降低了延期交貨，因為當製造商所使用的元件只有單一供應商時，只要供應商出問題，往往就會導致延期交貨的風險。  

此外，不良的技術支援也會導專案延期和成本超限。假設工程人員正在測試一款新的PSE原型，而其中的一個MOSFET出現過熱。該故障的起因是MOSFET失效還是控制器晶片失靈？在現實狀況中，這兩種元件的供應商很可能相互指責，最終導致交換器的設計專案進度落後的結果。但採用PSE-ICM就不會出現上述相互指責的情況；如果工程人員評估某品牌的PSE-ICM不可靠，大可換另一品牌的PSE-ICM，而不必變更電路板布局或軟體。  

成本考量指標應更加全面  

在網通產業中，成本的地位是至高無上的。有些設計人員若只看PSE-ICM的報價，或許根本不會考慮採用PSE-ICM，但精明的專案管理人不會如此匆忙地下結論。因為對一個專案來說，真正的管理目標應該是降低總成本，而不是在個別零組件上錙銖必較。  

圖3為分離式設計與採用PSE-ICM設計的定性成本比較，在分離式設計中，設計者把所有的PSE元件(控制器晶片、FET、磁性元件等)均配置於主機板上。該曲線圖旨在說明以下三點：第一，隨著時間過去，兩種選項方案的成本都會呈現下降的趨勢；第二，每當有新技術問世時，成本會因為技術突破而出現驟降；第三，用分離式元件來實現系統設計，其材料成本長期來說會比模組方案更低 一些。

圖3　PSE 成本隨時間推移的變化情況

其中，第二點是PSE-ICM的主要優點之一，因為採用模組方案可使供應商能夠更容易跟上技術發展的腳步，從而實現更低廉的系統成本。例如：當推出一款可降低成本的新型晶片時，在分立式設計中使用該晶片可能很困難，因為將須要導入一種新的PCB布局。但是，當把該晶片內建於一款新型PSE-ICM時，設計人員可以將其直接安放於電路板上，因為PSE-ICM的接腳並沒有變化。  

雖然採用分離式元件的材料成本略低，但PSE-ICM卻提供了諸多的附加價值，從而彌補了成本方面的差距，例如產品可快速上市、組裝和測試成本較低及元件管理成本等。特別是第二點，其價值不應被忽視。採用分立式方法的設計者，必須開發足以擷取組裝過程中可能出現的所有缺陷的測試裝置和軟體：至少須要檢驗基本功能，例如檢測、分級和斷接檢測。所有這些功能在PSE-ICM中均進行了預先測試；唯一必須進行的測試將是要確定：在把PSE-ICM裝在電路板上時不存在彎曲接腳或無效焊接。只須透過在所有通訊埠上運行乙太網路流量，並核驗PSE-ICM發出確認訊號，便可完全確認模組的功能正常。  

PSE-ICM標準化有利PoE+快速普及  

目前，許多公司已準備推出新PoE+產品，來因應即將制定完成的新IEEE 802.3at標準。在這種設計者面臨著一系列技術難題和一波波競爭產品即將上市的環境中，縮短設計週期對於贏得成功將是非常重要的。  

PSE-ICM能大幅加速產品上市時程，並提供其他許多文中所描述的優點，早期模組的兩個主要缺點是缺乏標準化和成本偏高，但新的PoETec業界標準已克服了這兩個缺點。新型PSE-ICM的成本已低於其早期同類產品，而隨著時間的推移、競爭和技術進步，更將使成本進一步下降。  

(本文作者為凌力爾特混合訊號產品部產品市場經理)