利用LTPoE++标准实现微波通信设备的拉远供电

黄付庆，赵宪臣，徐晓明

（1.总参信息化部驻济南地区军代室 山东 济南 250101；2.山东泉清通信有限责任公司 山东 济南 250101）

利用LTPoE++标准实现微波通信设备的拉远供电

黄付庆1，赵宪臣2，徐晓明2

（1.总参信息化部驻济南地区军代室 山东 济南 250101；2.山东泉清通信有限责任公司 山东 济南 250101）

针对微波通信技术的特点，设计了一种采用数字基带拉远技术的微波通信设备，该设备是3G、4G网络微基站技术在特定应用场景的进化。在设备基础上论述了LTPoE++标准和传统PoE标准的差异，提出并实现了一种基于LTPoE++标准的拉远供电方案。设计采用Linear公司的以太网受电设备 （PD）控制器LT4275A和以太网供电设备（PSE）控制器LTC4266，共同组成稳定可靠的供电电路，以满足微波通信设备的拉远供电要求。实际工程应用表明：该设计简单高效，可满足不大于90 W的微波设备室外单元（类似微基站）的供电要求，提高了微波设备供电系统的可靠性和经济性，具有较高的推广价值。

LTPoE++；基带拉远；以太网供电；LT4275A；LTC4266

基带数字拉远技术是当前热门的技术，在3G、4G网络和数字微波设备中有大量实际应用。根据传输距离和应用场景的不同，传输介质可以是光纤或超五类线，这与同轴馈线相比节约了成本、降低了损耗，更重要的是室外单元可以依据环境要求更灵活的布放。但随之而来的就是室外单元的供电问题，传统的供电方案主要有3种：一是光电复合缆，二是复合超五类线，三是标准超五类线配合PoE技术。横向比较3种方案，均存在一定的缺陷：方案一，成本高，应用场景受限；方案二，线缆整体的重量大，不易部署；方案三，提供的功率太低（最大25.5 W），无法满足功耗较大的应用。

针对以上问题，本文提出一种适用于微波通信设备的拉远供电方案，采用千兆以太网传输数据，配合LTPoE++标准在传输数据的信号线上同时对室外单元提供直流供电，最大功率可达90 W，精简了供电单元的设计，降低了设备成本。文章所提出的原理和方法都已通过实际工程验证，具有较高的推广价值。

1 LTPoE++与PoE标准分析

1.1 PoE标准简介

为摆脱在一些特定应用场景单独配备外置电源的不便，IEEE在2003年发布了802.3af标准（即PoE标准），该标准允许通过一根以太网电缆为远端设备供电，允许最大功率被限制在12.95 W。IEEE在2009年又通过了802.3at标准（即PoE+标准），将功率上限扩展到25 W［1］。

802.3at采用了更加详尽的硬件分级机制，使PSE设备（供电设备）和PD设备 （受电设备）能够相互识别。另外，802.3at还定义了一个新的数据层分级，采用LLDP协议实现PSE和PD的交互，并进一步实现功率动态调整［2］。

1.2 LTPoE++标准简介

LTPoE++是Linear公司在2011年发布的专有标准，在原有PoE和PoE+标准的基础上将功率扩展了4个等级，最高可达90 W。LTPoE++允许使用外置FET器件使散热性能大幅提升，并提高了电源效率。基于此整个架构中只需要一个PSE设备配合一个PD设备，就能够通过一根百米CAT-5e电缆提供高达90 W的功率［3］。

LTPoE++采用3类事件分级机制完成PSE和PD之间的识别交互，通过PD设备对3类事件分级机制的响应，PSE设备识别 PD设备是 I类 （PoE）、II类 （PoE+），还是 III类（LTPoE++）。LTPoE++另外一个突出的优点是对于软件级功率协商机制的完善，传统的LLDP协议要求扩展标准以太网堆栈，需要较大的软件开发工作量，而LTPoE++允许将LLDP协议设定为可选项。在特定场景的应用中，如微波设备室内外单元这类专用的端到端的应用就可以放弃对LLDP协议的支持，这带来了产品研制周期的缩短和BOM成本的降低。PoE、PoE+和LTPoE++的参数对照表如表1所示。

2 方案设计

目前市场上有多家芯片厂商能够提供符合PoE（+）标准的PSE和PD器件。比如TI公司、Maxim公司都有多款产品可供选择。但符合微波通信设备拉远供电高功率要求的，目前市面上就只有Linear公司基于LTPoE++标准的PD控制器LT4275A和PSE控制器LTC4266。如图1所示为微波设备室内外通信的完整框图，总体分为室内单元和室外单元两大部分。室内单元主要由接口及复分接模块、基带近端模块、基带接口模块和PSE模块组成，室外单元主要由基带接口模块、基带远端模块、中频模块、设备模块、天线和PD模块组成。室内单元和室外单元通过标准CAT-5e线缆连接，使用全部的4对线缆同时传送数据和电源，其中数据为标准的千兆以太网数据格式，电源为48 V直流供电，千兆以太网配合LTPoE++标准共同完成微波通信设备的基带数字拉远设计［4］。

表1 各标准参数对照表Tab.1 The standard parameter table

图1 LTPoE++拉远供电总体设计Fig.1 Overall design of LTPoE++

2.1 PSE模块设计

根据标准，PoE供电需要经过完整一套检测和分级动作，简单来说PSE控制器主要完成检测、分级、电源的管理和控制功能［5］。PSE的检测电路不能因轻微外部条件的变化（如相位偏移、噪声或连接松动等）影响探测PD。PSE工作时首先探测在网络上运行的的用电设备，根据协议规定对该设备进行分级，之后就可以对PD进行供电，同时监测各项参数。本文的设计是典型的系统内部端到端的应用，可以取消对LLDP协议的支持，在一定程度上降低设计的工作量［6］。

设计中PSE控制器芯片选用Linear公司的LTC4266，其性能特点如下：

1）具备4个独立的PSE通道，总共能够提供最高达90 W 的LTPoE++电源；

2）提供用电设备探测、分级、限流以及负载断开的检测功能；

3）既可以通过外部硬件配置独立工作，也可以通过I2C接口进行软件控制；

4）具备AUTO、Semi-auto、Manual、Shutdown等4种工作模式；

5）支持2线对和4线对输出功率。

在本设计中为了节省成本、降低设计工作量，采用AUTO工作模式和4对线输出功率模式，LTC4266的原理设计框图如图2所示，芯片的详细资料，请参阅参考文献［7］。

2.2 PD模块设计

本设计中PD控制器芯片选用Linear公司的LT4275A，其电路原理框图如图 3所示。LT4275A采用了专有的LTPoE++分级方案，可在网络上提供38.7 W、52.7 W、70 W或90 W等功率级别。LT4275A的内部充电泵提供了一种N沟道MOSFET实现方案，替代了传统的较大且更加昂贵的P沟道MOSFET，大幅降低了总的PD热量，并最大限度地提高了电源效率，这在高功率级别应用时尤为重要。LT4275A具有一种热保护功能，可避免其自身出现过热现象。如果结温超过了过温门限，则将HSGATE和PWRGD引脚电平拉低，并暂停分级功能。

图2 LTC4266原理框图Fig.2 Block diagram of LTC4266

图3 LT4275A原理框图Fig.3 Block diagram of LT4275A

LT4275A可利用分级电阻器（RCLS和RCLS++）的不同配置以支持所有可能的PoE、PoE+和LTPoE++功率级别，从表 2中选择RCLS和RCLS++阻值，并把连接到RCLASS、RCLASS++引脚和GND之间，注意电阻的误差范围必须控制在1%以内，以免影响分级电路的精确度。在分级模式下，PSE根据PD所消耗的功率对PD进行分级，有效管理功率的分配，芯片功能的详细资料，请参阅参考文献［8］。

3 设计中的问题分析

表2 分级代码、功率级别和电阻器选择表Tab.2 Classification codes，power levels and resistor selection

遵循LTPoE++标准的微波设备拉远供电技术已经在实际工程中得到大量应用，经过测试，整体供电稳定、可靠性高，各项技术指标均满足微波设备拉远供电的整体设计要求。在研制和调试阶段也暴露出一些问题，主要总结为以下注意事项。

3.1 元件布局问题

为避免在RCLASS和RCLASS++引脚上产生过大的寄生电容而影响分级准确度，必须确保将电阻器RCLS和RCLS++放置在尽量靠近LT4275A芯片的位置，建议距离不超过300 mil。

3.2 接口保护问题

LT4275A规定的绝对最大电压为100 V，并专为耐受短暂的过压进行了优化设计。但是与外界相连的那些管脚难免会遭受过高峰值电压的冲击。为保护芯片，必须在端口电压与地之间放置一个TVS瞬态电压抑制管，并且安装在尽量靠近 LT4275A的位置，推荐 TVS瞬态电压抑制管型号为SMAJ58A。

3.3 热设计问题

本设计的功率高达90 W，需要考虑增加散热，如加大PAD的面积，电源部分走线的加宽并单独分层，使用特殊的外置MOSFET加速散热。

4 结束语

基于LTPoE++标准的微波通信设备拉远供电设计方案，采用千兆以太网传输数据，同时在信号线上对室外单元提供直流供电，最大功率达90 W，完全达到微波通信设备拉远供电的设计要求。方案已经在多个微波通信产品中得到应用，具有设计简单、成本低廉、性能稳定的优点。相比传统的方案有以下2个创新点：

1）传输数据采用符合IEEE802.3协议的数据帧结构，接口标准、可靠；

2）采用标准CAT-5e电缆，同时传送数据和电源，避免了传统馈线需要数据线、电源线分离的不便，大大降低了系统成本和设备开通的难度。

［1］IEEE 802.3af.Data terminal equipment（DTE）power via media dependant interface（MDI）［S］.New York:IEEE Computer Society，June，2003.

［2］华为技术有限公司.PoE技术白皮书［EB/OL］（2007-10-08）［2015-04-01］.http://www.huawei.com/cn/products/datacomm/ pdf/view.do？f=267.

［3］刘佳，黄华.兼容IEEE802.3af的高功率以太网供电PD端设计［J］.现代电子技术，2008，31（5）:160-162，164.

［4］徐晓明，赵清潇.基于千兆以太网的基带光纤拉远设计［J］.电子设计工程，2010，18（6）:113-115.

［5］刘凯，张立民，张兵强.PoE技术在座舱分布式数据采集系统中的应用［J］.电子设计工程，2010，18（11）:37-40.

［6］丁丁，黄成军，沈昊.以太网供电技术研究［J］.自动仪表，2005，26（1）:5-8.

［7］Linear，Tecnology，Corporaion.LTC4266 LTPoE++PSE Controller［EB/OL］.（2009-06-06）［2015-04-01］.http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/4266fe.pdf.

［8］Linear，Technology，Corporation.LT4275A IEEE 802.3 and LTPoE++powered device（PD）controllers［EB/OL］.（2012-02-08）［2015-04-01］.http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/ 4275f.pdf.

Realization of digital microwave communication equipment based on LTPoE++standard remote power supply

HUANG Fu-qing1，ZHAO Xian-chen2，XU Xiao-ming2
（1.Military Representative Office in Ji'nan，Jinan 250101，China；2.Quan Qing Shandong Communication Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

According to the characteristics of microwave communication technology，the design of a microwave communication device with digital baseband，the device is a 3G，4G micro base station network technology in the specific application scenario evolution.The devices based on the LTPoE++standard and discusses the difference between the traditional PoE standard，proposes and implements a remote power supply scheme based on LTPoE++standard drawing.The design uses Linear's Ethernet power device（PD）controller LT4275A and Ethernet controller LTC4266 power supply equipment（PSE），composed of power supply circuit is stable and reliable，in order to meet the needs of microwave communication equipment remote power supply requirements.Application results show that the design is simple and efficient，which can meet the microwave equipment outdoor unit is not more than 90 W （similar to the micro base station power supply requirements）to improve the reliability and economy of power supply system of microwave equipment，has higher application value.

LTPoE++；baseband pulls distant；power on ethernet；LT4275A；LTC4266

TN925＋.91

A

1674－6236（2016）04-0140-04

2015-04-10 稿件编号：201504105

黄付庆（1983—），男，山东聊城人，硕士，工程师。研究方向：微波通信，卫星通信。