四對線纜架構(gòu)的優(yōu)勢
典型的以太網(wǎng)電源端到端解決方案包括一個被稱為“供電設(shè)備”(PSE)的電源，一個被稱為“用電設(shè)備”(PD)的終端設(shè)備。供電設(shè)備可能以獨立或者嵌入的形式存在于路由器或交換機(jī)中�，F(xiàn)在使用的大多數(shù)以太網(wǎng)線纜均為5E類(CAT5E)線纜，這種線纜是由四組未屏蔽的銅雙絞線構(gòu)成。
圖1：給用電設(shè)備供電的兩種可能的架構(gòu)。
圖1顯示了可以在CAT5E類線纜上傳輸電力的可能架構(gòu)。圖1a展示的架構(gòu)通過兩對CAT5E線纜形成的單環(huán)路將電力由供電設(shè)備傳送到用電設(shè)備。IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電力可以在單環(huán)路的兩對線纜中傳輸，而不能同時在所有四對線纜中傳輸。圖1b在四對線纜中采用兩個電流環(huán)，這樣的結(jié)構(gòu)增加了最終傳遞給用電設(shè)備的功率。四對線纜架構(gòu)的主要優(yōu)點在于導(dǎo)線數(shù)量的增加，從而降低了功率損耗，并且增加輸入到終端設(shè)備的功率。而主要的缺點在于成本的提高和為了確保在兩個電流環(huán)之間的均流所帶給系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。
在四對線纜架構(gòu)中，兩個電流回路都進(jìn)給一個單獨的DC/DC轉(zhuǎn)換器。如果每個回路的阻抗是相同的，那么電流的均流就是不必要的，并且每個環(huán)路都將給DC/DC轉(zhuǎn)換器提供電流值是所需輸入電流一半的電流。然而，電線、連接器和組件之間的不匹配會引起一個回路攜帶的電荷比另一個回路多。為了確保可靠性，在每個電流回路中的系列組件在設(shè)計時都應(yīng)被設(shè)計成能夠處平衡度最差的情況，與此同時保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸。兩個電流回路之間的均流越差，就意味著設(shè)計更加龐大(從而成本更高)。最大功率輸出可以通過使兩個線路上電流均流實現(xiàn)，從而每個線路上的電流都略低于其限制電流。下面的設(shè)計實例和分析表明如何確定均流性最差的情況和如何使其最小化。
升流電路設(shè)計實例
在一個四對線纜的結(jié)構(gòu)中，用電設(shè)備的檢測和分類功能必須在每兩個電流環(huán)上都實現(xiàn)，因此這就需要有兩個用電設(shè)備控制器。在如下的范例中，當(dāng)用電設(shè)備將能源傳遞給DC/DC電源時，采用了兩個TPS2376-H控制器(請參見圖2)。DC/DC電源在單開關(guān)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用UCC3809-2，從而提供一個獨立的、負(fù)載電流為8A的5V電壓。
圖2
表1顯示了預(yù)先設(shè)計的方案規(guī)范被應(yīng)用于此次設(shè)計�？梢哉J(rèn)為，一個通�？捎玫墓╇娫O(shè)備將提供51V到57V的電壓調(diào)節(jié)，而在這個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都能給每個由兩對CAT5E線纜組成的電流環(huán)路提供800mA的電流。我們根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行合理假設(shè)，假設(shè)每兩對線纜組成的環(huán)路(最大長度100米)的阻值是12.5歐姆。CAT5E線纜將連接到用電設(shè)備的接口，并輸入到DC/DC轉(zhuǎn)換器，提供一個負(fù)載電流為8A的5V電壓。為了簡化圖形和強(qiáng)調(diào)用電設(shè)備的接口，在圖2中DC/DC電源用一個簡單的黑盒子表示。
假設(shè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率約為85%，那么要求輸入的功率將近47W。根據(jù)CAT5E線纜的長度和供電設(shè)備的電壓大小，為了滿足輸入功率的要求，輸入電流需要在0.825和1.2A之間。
圖3：針對一個電流環(huán)的升流電路。
TPS2376-H的電流限制在表1中列出來，為了在運行過程中不造成意外的關(guān)閉，在這兩個電流環(huán)中的電流都必須不超過這個值。由于TPS2376-H的最小電流為625mA，圖3所示的升流電路是對這兩個電流環(huán)中的輸入電流進(jìn)行升流，將其提高到允許的800mA，從而獲得800mA下的全電勢。在實際中，電流并沒有被升高，它僅僅是在TPS2376-H周圍分流了。圖3顯示了升流器是怎樣在其中的一個電流環(huán)中起作用的。由于在TPS2376-H引腳5(RTN)上的回流增加，R15兩邊的壓降就增加了，相應(yīng)地基極和射基之間的電壓降低就使得晶體管Q1開始工作。當(dāng)VR15>0.7V時，流經(jīng)R15的電流就會打開晶體管Q1。這使得Q1導(dǎo)通，并分流了TPS2376–H附近的部分返回電流。在短路或者瞬態(tài)相應(yīng)狀態(tài)下，Q2將會把Q1的基極鉗位到它的集電極并迫使其強(qiáng)行關(guān)閉，從而Q1提供保護(hù)。如果電流持續(xù)增大，當(dāng)VR19>0.7V時，Q2將會打開，從而分流Q1的基極電流，并最終使Q1關(guān)閉。
建模仿真
為了確保該設(shè)計可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行分流，有必要使用如PSPICE等仿真工具對四對線纜架構(gòu)進(jìn)行仿真。需要仿真的關(guān)鍵元素是每個電流環(huán)路中的各種阻抗源。如二極管電橋，CAT5E線纜電阻，TPS2376-H中通過場效應(yīng)管(FET)和支持電路的各種電阻。表2是圖2中的實際示意圖以及圖4中的使用PSPICE的示意圖相關(guān)內(nèi)容。
圖4
在仿真模型中，供電設(shè)備(PSE)是一個理想的直流電壓源，DC/DC電源供應(yīng)器是一個理想的直流電流源，CAT5E線纜和用電設(shè)備(PD)接口是4個電路路徑。圖4中的顏色代碼路徑對應(yīng)圖2中相應(yīng)的路徑。將PSE仿真成一個理想的直流電壓源，DC/DC電源供應(yīng)器仿真成一個理想的直流電流源是合理的假設(shè)。這樣的假設(shè)顯著的簡化了仿真模型，將分析的重點放在了CAT5E和PD電路的均流上。
