兼容标准的高功率PoE系统设计

2011-03-30 09:53:36来源: 互联网

IEEE802.3af标准的制定推动了以太网供电技术的使用,而TI公司推出的兼容标准的高功率供电管理芯片TPS23841和 TPS2376H,很好地解决了25W以内网络设备的接入问题。本文基于以上两种芯片设计出兼容标准的高功率以太网供电系统

1 IEEE802.3af标准简介[1]

IEEE802.3af标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送48 V直流电源的方法,它将以太网供电(POWER over Ethernet,PoE)技术引入到现有的网络基础设施中,最大传输距离为100m。PoE由供电设备PSE和受电设备PD组成。PSE分为端接式和中跨式两种类型,主要实现对PD的检测、功率分级(可选)、供电和断电等功能;PD主要作为标准识别设备,返回各种符合标准的信号以及持续工作信号,从而完成整个供电过程。

2 PSE系统结构组成[23]

PSE主要实现上述电源管理功能,系统由硬件和软件两部分构成。PSE系统结构如图1所示,16位单片机MSP430F147通过模拟I2C总线对TPS23841内部寄存器进行读/写,来实现电源管理功能;通过P4.0设置TPS23841的工作模式;通过P2.7获得出错信号,从而通过 P4.2对TPS23841产生有效的复位信号。系统中对必要的信号及电源进行了隔离,MSP430F147通过UART接口经MAX13085转换为 RS485电平后与供电监控PC机通信,当没有与PC机连接时系统会自主运行。

图1 PSE系统结构图

TPS23841的工作电压范围为21.5~57V,比IEEE802.3af标准定义的电压范围大得多。也就是说,TPS23841可以提供上述电压范围的供电,这使得以太网供电技术可以应用在医疗、工业等24V的供电系统中。同时,可以通过提高输入电压的方法将传输功率提高到25W,供电可以通过1/2、3/6或者4/5、7/8号线对传输到远端PD。在特殊情况下也可以通过4个线对同时传输供电,这样可以获得更高的传输功率。交流断路检测电路用来产生交流断路检测信号,地址设置电路用来设置TPS23841的I2C设备地址,通过设置不同的地址可以接入多个TPS23841,从而达到扩展供电端口的目的。MSP430F147通过内部集成的温度传感器实时监控系统工作温度,当过热时启动风扇散热。

3 PSE的硬件设计

PSE的供电管理功能主要由TPS23841实现。TPS23841运行时内部工作所需的10 V、6.3 V和3.3V由外部供电产生,每个供电端口可以提供高达570 mA的电流,而对每个PD可以提供最高25W的功率。TPS23841内部集成了4个独立的15位A/D转换器,用来测量每个口的电阻、电压、电流,可以更加精确地实现供电管理功能。如图2所示,PSE的硬件电路主要由TPS23841及其外围电路组成。在4个供电回路中加入自恢复保险丝来实现过流保护的功能,通过加入瞬间电压抑制器实现过压保护的功能,由50、51脚引出的电路产生交流断路检测信号,在各供电端口加入了显示电路。I2C的5位地址由外部拨码开关S1设置,三线I2C总线经过光耦隔离后连接成为标准的两线I2C总线。在PSE系统中,通过对MSP430F147编程来实现电源的高级管理功能。

图2 PSE硬件原理图

4 PSE的软件设计[23]

TPS23841内部集成了标准的I2C模块,MSP430F147通过I2C通信实现高级电源管理功能。TPS23841具有3种工作模式,分别为自动模式(AM)、半自动模式(SAM)和供电管理模式(PMM)。AM模式下,TPS23841不需要微控制控制,自动实现对PD的检测、分级和供电等功能,此模式下采用DC断路检测法检测PD是否断开;在SAM模式下,TPS23841运行在AM模式下,但可以通过I2C总线来读取所有状态寄存器和A/D寄存器的内容,并且可以不需要微控制器参与而自动完成对PD的检测;在PMM模式下,可以执行AC断路检测,并且可以获得每个PD的电压与电流参数,供电管理更加灵活。当TPS23841工作在SAM和PMM模式时需要微控制器MSP430F147来完成整个供电管理过程。PSE的运行控制过程如图3所示。控制程序主要实现系统初始化、控制TPS23841、与PC通信,以及对数据进行封装与解析等功能。当没有与PC机连接时,设置 TPS23841工作在AM模式下,TPS23841将自主运行;当与PC机连接时,系统将按照用户的要求将TPS23841设置为相应的工作模式,在 SAM和PMM模式下,能够采集到各个端口的运行参数,在PMM模式下可以对各个端口的供电进行控制。系统最后将采集到的数据封装后通过RS485发送到 PC机。

图3 PSE运行控制流程

5 PD的设计与实现[4]

TPS2376H是TI公司推出的兼容标准的高功率PD控制器,PD的设计原理如图4所示,整流桥做极性保护用,瞬间电压抑制器D1用来消除过压造成的损害。当作为标准PD设计时,TPS2376H的外部检测电阻、分级电阻按照标准定义的参数进行设置。当作为高功率PD设计时,PSE需要提供 52~57V的供电电压,TPS2376H的分级电阻需要设置为标准定义的备用级别4级。此时PD可以接收TPS23841传送的最高25W的功率,高功率传输可以通过提高传输电压来获得,同时也可以通过以太网线的4个线对供电,这样传输的功率是两线对传输功率的2倍。两种方式有各自的优点。两线对供电用在IEEE802.3af系统中,一线对用来传输电流,另一线对用来作为回路,其余两个线对不传输供电,是一种最简单的实现方法,但是对于不供电的两个线对却不能很好的利用,这是一种损失。四线对供电降低了电缆的阻抗,但却增加了线对的电流平衡问题,不同的隔离变压器阻抗、电缆、连接器和PD方的整流桥都会导致供电线对的电流不平衡,PD端可以通过2个独立的DC/DC转换器来解决这个问题,在24V的供电系统中为了防止误分级PSE应选择不分级操作。 PD后端采用LT1074HVIT将电压转换为设备工作需要的5 V或3.3V电压,LT1074HVIT的输入电压为10~60 V,输出电流最大为5A,输出电压可以根据Vout=2.21×(1+R1/R2)来进行设置。

图4 PD设计原理图

6 PoE在RFID系统中的应用

在RFID应用系统设计时,读写器的供电问题是必须要考虑的,对基于以太网通信的读写器来说,采用以太网供电技术将大大降低读写器的成本。在实际应用中将PSE系统和交换机集成在一起设计出了端接式PSE(即PoESwitch),使得应用更加灵活方便。典型应用如图5所示。

图5 PoESwitch在RFID系统中的应用

当PoESwitch侦测到读写器、无线接入点为合法的PD后,将执行可选的分级操作,之后将向它们供电,同时由监控PC上的PSE终端监控软件完成对各个供电端口的监控。

结语

本设计采用MSP430F147单片机和以太网供电管理器TPS23841、TPS2376H开发了兼容IEEE802.3af标准的高功率 PoE系统。此系统也可应用在医疗、工业等21.5~57V、最高功率为25 W的供电环境中,具有良好的兼容性。

关键字:兼容  标准  功率  系统

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0330/article_6389.html
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