如何优化以太网供电 (PoE) PD 设计
什么是以太网供电 (PoE)？
以太网供电 (PoE) 解决方案可以在以太网电缆传输直流电源的同时将数据并行传输至IP 终端设备，无需更改现有的以太网标准电缆连接。在一根电缆上同时传输电力和数据不仅简化了安装、提高了可靠性，还通过减少线缆降低了成本。PoE 设备因此成为机房和办公室的常见选择，也是不便新装电源线的旧建筑物的理想选择。
本文将综合描述 PoE PD 的设计，讨论系统设计人员面临的挑战，还将介绍如何利用 MP8017 （集成型 PoE PD 和反激式电源变换器）优化 PoE PD 的设计，并进行验证。
PoE的演变
1999 年，在IEEE 和以太网联盟的努力之下，PoE实现了标准化，其目标是确保更广泛连接的受电设备 (PD) 和供电设备 (PSE) 之间的互操作性。首个标准 IEEE 802.3af 于 2003 年获得批准。该标准规定，电源必须能够通过单根电缆中的备用线对或数据线对进行传输。最新的 PoE 标准为 IEEE802.3bt (90W)，它涵盖了 5G 小型蜂窝、显示单元和 AP 路由器等更多应用。图 1 所示为 IEEE PoE 标准的发展时间线，最早从 1999 年≤10W 的标准开始。
PoE功率分级
根据所需的功率，PoE 设备被分为不同的级别（Class 0 至Class 8，共9个级别）。802.3af 标准涵盖了 Class 0 到 Class 3，电压范围在 37V 和 57V 之间，输出功率达 15.4W。这类设备被推荐用于传感器和简单摄像头。
802.3at 标准（也称为 PoE+）引入了 Class 4等级，在同等电压范围内将输出功率提高到了30W，但仅兼容 PoE+ PSE。这类设备可用于复杂摄像头、LCD 显示器和平板电脑。
最新的标准802.3bt （也称为 PoE++）则引入了 Class 5 到 Class 8等级，输出功率在 45W 到 90W 之间。这类设备可以支持笔记本电脑、电视和建筑物中的电气系统。图 2 对这些功率等级及其相关输入电压、输入功率和输出电压进行了总结。
PoE工作原理
网络电缆由成对的双绞线组成，其中包括能够发送信息的数据线对和称为备用线对的未使用线对。PD 和 PSE 成功通信的过程被称为握手。握手的过程包括以下主要步骤：
PD 检查: PSE向PD电阻（24.9kΩ）发送一个测试电压（<10.1V）；若阻抗值匹配，则表明为一个标准 PoE 设备。
功率分级: PSE发送一个电压并获得电流反馈，以确认PD的功率等级（从Class 1到Class 8）。
供电: PSE的输入电源提升至54V左右。
稳定电源和监控器: 电源稳定在54V左右，同时根据分级结果限制最大功率。
断连: 如果PD断开，则PSE停止供电。
图 3 显示了PSE 和 PD之间的整体通信结构。
PSE 与 PD 握手时，电压电平的变化情况如图 4 所示。
PoE 解决方案的设计挑战
PoE 设备面临的首个设计挑战就是效率。尽管 PoE 设备综合了电源与数据的传输，但如果设计不当，效率会比较低。因此，设计人员必须优化电源电路以降低元件阻抗，并选择最佳变压器以提高效率。
另外，大量的功率传输会产生可闻噪声，从而影响设备满足现代 EMI 标准的能力。如果不加以规范，EMI 会导致周边设备性能降级并缩短系统的生命周期。功率高的 PoE 设备体积也更大，对空间受限的应用而言，可能会占据宝贵的空间。
图 5 显示了一个典型的 15W PoE PD 电源电路。由于所需元件数量较多，电路复杂且庞大。光耦合器和 TL431 稳压器单独组成其电路系统，其中也包含众多元件。
优化 PoE 解决方案
有六种简单的方法可以优化传统电路（见图 6）。
下面将详细描述这些方法。
全集成: 对 PoE 设备而言，全集成解决方案是实现紧凑方案的绝佳方法。我们常对PoE 解决方案提出这样的疑问：系统能否包含 PD 和 DC/DC 变换器？方案能否包括热插拔 MOSFET 和功率 MOSFET？
这两个疑问的答案都是肯定的。通过集成 PD、变换器和 MOSFET，设计人员可以显著减小 PCB 尺寸并缩短设计周期。集成解决方案还可以降低BOM 成本，因为简化的解决方案需要的外部元件也更少。反馈电路: 传统反激电路需要稳压器、光耦反馈网络、环路补偿和软启动电路。通过图 8我们可以看出这些电路的复杂性，例如传统的 SSR 反馈电路。随着反激技术的发展，后来出现了原边反馈法（第一代 PSR 反馈）；但这种类型的电路通常包含辅助绕组。
The MP8017 PoE PD 解决方案采用了一种新的反馈方法，称为第二代PSR 反馈。该系统不需要辅助绕组或光耦合器（见图 7），它利用 SW 引脚对输出电压 (VOUT)进行采样。这种方法具备的优势如下所述：变压器不需要辅助绕组，从而简化了设计电路；
变压器成本降低；
额外的电源绕组可以缠绕在同一磁芯上，以降低阻抗并提高效率。
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