应用于校园的PoE电源的设计

2013-08-13袁航空

电视技术 2013年13期

吕露，黄涛，袁航空

(1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074;2.烽火科技集团武汉虹信通信科技有限公司，湖北武汉 430074;3.世纪民生科技股份有限公司武汉群茂科技有限公司，湖北武汉 430074)

责任编辑:魏雨博

当前，校园安全是全社会关注的焦点，它与每个学生、家长、老师都有着密切的联系。随着科学技术的进步，越来越多通信及安防技术在校园中得到了应用。但是随着用电设备的增加，用到电线的地方越来越多，电线表面的绝缘体是胶质的，易老化破损，在使用中不可避免会发生磨擦，加速了电线的破损，极易引起火灾、造成触电事故。另外，电线的安装敷设是一项非常需要专业知识和技能的工作，国家明文规定，安装电线和电气设备必须由专业电工操作。对此，PoE电源的安全性、敷设的简易性等优势得到人们的广泛关注。

1 PoE电源工作原理

以太网供电 (Power over Ethernet，PoE)是指在现有的以太网布线基础架构下，不需要电线就可以用同一条以太网电缆为基于以太网的终端设备供电并传输数据信号。PoE系统主要由供电设备PSE(Power Sourcing Equipment)和受电设备PD(Powered Device)构成。目前已经定义了两种供电方式，分别为模式A和模式B。通过数据对(1/2、3/6)给PD供电被称为模式A(如图1)。由于直流48 V与数据频率不同，互不干扰，所以可以在同一对线上既传数据又传电源。1/2相连，既可为正也可为负，3/6反之。模式B(如图2)是通过空闲线(4/5、7/8)传输电源。4/5为正，7/8为负。一般来说，标准的PD必须支持两种受电方式，而PSE只需采用任意一种供电方式即可［1－2］。

图2 供电方式B

标准PoE电源供电方式有5个步骤，分别为:

1)设备检测。检测PD是否支持 IEEE 802.3af/802.3at标准。

2)功率分级。由于PD种类较多，所需要的电源功率不同，所以当PSE设备检测到PD设备之后，需要为PD进行分类，评估此PD需要的功率。

3)正常供电。

4)电源管理。实时监控并管理PD受电设备，为其提供稳定、可靠的48 V直流电。

5)断电。当检测到PD设备断开时，PSE设备就会快速地停止供电［3］。

2 低成本PoE电源设计方案

目前有很多成熟的PoE管理芯片及解决方案，需要结合MCU来实现整个PoE方案，在保证了安全的同时也造成了较高的价格。现在设计一种低成本的PoE电源，即去掉管理芯片及相应的软件也可以通过较为便宜的硬件电路实现输入过压、输出过流、过压保护、输出短路保护等安全措施。本文以60 W双口PoE电源为例(最大输出可达70 W)，每口的最大功率30 W，效率≥87%，电压调整率≤±0.5%，负载调整率≤±2%，输出纹波及噪音≤100 mV。采用以空闲线传输电源的供电方式B。

2.1 AD/DC主电路设计

AC/DC电源采用单端反激电路(如图3)，先经整流滤波，交流220 V变成直流，由PWM控制器进行脉宽调制，经高频变压器变成高频交流，再经整流滤波产生直流48 V。

U1为UC2845，是一种高性能的固定频率电流型PWM控制器，自带欠电压锁定、过电压保护、过电流保护等保护功能［4］。Q2 为Infineon 生产的SPA06N80C3，其VDS=800 V，ID=6 A ，RON－DS=0.9 Ω，低导通电阻有利于提高电源的效率。取样反馈电路由U2、U4及周边的电阻、电容构成。U2为PC817型光电耦合器，具有上下级电路完全大于等于隔离的作用，减少了电磁干扰，抗干扰能力较强。U4为三端可调稳压管TL431。

稳压效果好是本电路最主要的特点。电路的反馈环路工作过程如下:当输出电压升高时，分压电阻两端电压VR38升高，即接到U4的参考输入端的电压升高，后与其内部的2.5 V基准电压作比较，U4阴阳极间电压VKA降低，流过PC817型光耦的发光二极管电流增大，通过“电－光－电”的转换，U2集射极间电压变低，U1的1脚(UC2845内部的误差放大器输出端)电平变低，占空比减小，传输到次级线圈和自馈线圈的能量减小，最终，输出电压被降低。反之亦然，总的效果是实现输出电压保持恒定，不受电网电压或负载变化的影响。该电路不仅外接元器件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管TL431和线性光耦PC817做外部误差放大器，比UC2845内部的误差放大器精度高，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化，具有很好的稳压效果。

图3 AC/DC简化电路图(截图)

2.2 保护电路

为了提高电源的安全性，还需增加几个保护电路，包括:防雷电路、输入过压保护电路、输出过电压、过电流保护电路等。

2.2.1 防雷电路

防雷电路(如图4)由保险丝F1、压敏电阻MOV1、MOV2、MOV3(型号:TVR20621)和气体放电管Z(型号:2R600)组成，雷电防护等级10 kA。交流输入火线经保险F1与零线接压敏电阻MOV1，当交流输入L、N电压过高时，MOV1短路，保险管F1熔断，从而保护后级电路。当交流输入受到雷击，气体放电管Z1瞬间放电，L通过MOV2，N通过MOV3与Z1一起对地泄放雷击电流，可以泄放10 kA电流，从而保护后级电路。

图4 防雷电路

2.2.2 输入过压保护电路

经过电阻分压，R36的电压大于2.5 V时，TL431输出级导通，R46两端电压降低，Q3通，UC2845A的1脚被下拉，UC2845A输出端关闭(如图5)。

图5 输入过压保护电路

2.2.3 输出过电压、过电流保护电路

U7为电压比较器，对电阻参数进行调整，可以设置理想的保护点(如图6)。

图6 输出过电压、过电流保护电路

U7A为输出过压部分的比较器，其中

当输出电压升高时，一旦VR37＞VREF，电压比较器输出低电平，D8导通，光耦中发光二极管的电流变大，光电三极管导通，UC2845的1脚为低电平，PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC2845的脚6无输出，MOS管Q2截止，从而保护了电路。

U7B为输出过电流保护电路的电压比较器，其中Iout取自主电路中取样电阻R63、R64并联处，电压为负值。输出过流保护电路的原理与过电压保护电路类似，该电路还采用了PI调节器，提高响应速率。

3 低成本非标PoE电源应用方案

PoE电源使一些小型网络设备，例如VoIP设备、WLAN的接入点AP、视频监控网络摄像头等基于IP的终端设备，可以利用网线传输数据信号的同时直接获得电源，不必再单独铺设电力线。这样大大简化了布线，保证了用电安全、降低了建设费用、节省了使用空间。另外，若结合UPS电源，还可以使网络设备免受电网掉电的影响，在停电的时候仍然可以运转。

目前，几乎所有的高校会在宿舍楼的多个地方安装视频监控摄像头，对不良人员起到一定威慑作用;由于无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)采用无线数据通信，不仅对有线连网方式进行了补充和扩展，还使网上的计算机具有可移动性，在校园里得到了广泛应用，每栋宿舍楼都覆盖了一定数量的接入点(Access Point，AP)设备。另外，虽然目前VoIP技术在我国没有受到政策的支持和保护，但是在校园网内使用还是非常有前景的。据了解，目前AP设备和枪式摄像机的最大功率一般不超过30 W，VoIP电话所需的功率则更小，并且由于网线能够允许的电流不是太大，传输能力也跟距离有关，所以本文设计的带各种保护功能、每口最大可提供30 W功率的低成本PoE电源非常适合于用电设备较集中、功率不太大但用电设备较多而又有一定成本压力的校园。

本文设计的电源在实际生活中已得到应用，除了用电安全、施工方便外，它还有非常好的抗干扰、防雷性能。网线本身很容易受到磁场的干扰，但是采用PoE电源供电后就不需要再单独敷设220 V的电源了，这样便减少了对信号的干扰、降低了信号的衰减。另外，由于使用了不超过100 m的网线对设备进行集中供电，在雷雨天气，该网线上不易形成感应电势，击坏用电设备中的电子元器件，有效保证了用电设备的使用寿命。在使用PoE电源时可以根据实际需要选择多口的PoE电源，这样既节省成本也便于管理。