Evolution of power supplies for PoE-powered devices

由于受以太网技术向各类市场的扩展、以及IP电话与2003年采纳IEEE 802.3af 标准等因素的推动，以太网供电（PoE）市场正在快速扩大。从以太网线上获得电源的设备称为用电设备（powered device），简称PD。
---PD不仅包括IP电话，也包括POS终端、无线LAN接入点、电子证件阅读器及网络摄像机等。所有PD都要求有板上电路能够被检测、根据拽取功率（power draw）来进行分类、并将-48V电源下调至更多实用电压。尽管电源设备（PSE）可为网线提供15.4 W的功率，但由于存在各种损耗，故实际可供PD消耗的功率仅为12.95 W。因此必须提高效率并减少执行电源转换所需的板面积。
---IEEE规范要求，对于被检测的PD，当用-10V以上电压供电时应呈现25kΩ的阻抗，亦称为签名模式（signature mode）。在-15.5V～-20.5 V之间，PD进入一种可选分类模式，此时电源种类由该工作阶段的PD所拽取的直流电流来设定，然后再由PSE将电压下调整至额定-48 V，并提供全部电源。
---PD必须先从-42V欠压锁定（UVLO）出来然后再重新进入-30 V UVLO，且可能永远不允许在启动或正常工作时从PSE上拽取400 mA以上的电流。详情可从PowerDsine网站（www.powerdsine.com）上有关IEEE 802.3af用电设备要求的详细介绍白皮书（题为“网线供电及IEEE 802.3af标准综述”）中找到。

第一代PD接口IC
---第一代PD接口控制器实际上是以旨在用于热插拔应用的IC为基础而构建的，外部器件则用于PD签名电阻、UVLO门限编程、功率MOSFET通过元件以及PD接口电路与电源控制器之间的通信。
---这种配置不允许进行分类，故板面积利用效率低，且不完全遵循802.af标准。例如，在签名模式期间，系统不能拽取10mA以上的“偏移”电流，亦即没有任何直流电流通过签名电阻。
---如果该偏移电流大于10mA，则存在模块未被检测到的风险。在这些早期配置中，由于有UVLO电阻分压器及热插拔IC所需的偏置电流而会导致过电流。

第二代PD接口IC
---第二代PD接口IC在集成度及标准遵循度两方面都有很大改进。这些IC集成有签名电阻功能，并允许禁用25kΩ电阻，因此能提高效率。
---此类IC还集成有UVLO功能及电路断路器功率MOSFET。所有IC都提供线性电压调整器以进行分类编程。这一代IC的主要缺点是其自身未集成有电源控制器。
---正如热插拔应用，重要的是，DC/DC转换器在降压转换器输入电容未完全充电之前不启动。这样做可导致调整器启动问题，甚至引起摆动。
---此类接口IC在释放电源良好信号前观察通过FET的漏－源电压，但接口IC与PWM控制器IC之间通信的启用或软启动功能，仍可用外部器件来手动实现。接口IC与PWM控制器IC之间的通信由于有以下事实而变得更为复杂，即每一IC都参考不同的电位，接口IC参考 -48 V输入，而控制器电路则在主通过FET的漏极上浮动。在FET被增强并过渡至-48 V以前，漏极处于极低电位上（接近地）。

最新一代PD接口IC
---第三或更新一代的IC集成有全部接口功能及PWM控制器。这些器件不仅能提供最高水平的集成且还能简化设计流程，因为接口与控制器之间的所有通信都在内部处理。
---例如，国家半导体公司即推出了一种这样的器件——LM5070。尽管其他供应商也推出或计划推出类似器件，但IC间仍存在影响设计决策的重大差异。
---尽管大多数新型IC都能提供默认及可编程UVLO门限，但只有一些器件具有可编程滞后或UVLO电阻接地引脚，因此外部UVLO电阻（如果使用的话）可在签名模式下被禁用。不同IC系列间对浪涌电流极限进行编程的方法与精度有很大不同。LM5070提供一个可编程时钟频率并具有参考电压与误差放大器，故能排除非绝缘应用中对LM431型反馈器件的需要。
---处理PoE PD系统中的故障情况并不简单，且不同IC可为设计者提供不同选项。尽管所有PoE IC都能处理70V～100V的电压，但这可能还不够。
---虽然802.3af规范规定PSE应以最大0.1 V/μs的速度来向下调整输入电压，但较长的线缆长度可能会在不同条件下引起超过100V的瞬态感应。布局时，需将0.1μF输入旁路电容与齐纳二极管或其他可吸收这些瞬态感应的transorb器件尽可能地靠近地及IC电源引脚布置。
---另一常见故障情况是某一源输出端短路。在此故障情况下，PoE系统中的以下4个元件可能会试图限制或关断电流：带可编程电流检测的电源、PD接口通过FET、PD芯片的热限制以及PSE。如果电流超过400 mA达50 ms或PD超出其电源种类，则PSE可能会禁止向网线供电。
---一些PD接口IC可提供不让PSE看到故障的直流电流限制，其他IC则将故障传递给PSE，让其能控制局面。这些具有直流电流限制的IC拥有自动故障重试能力。当出现过流情况时，MOSFET的漏电压将升高，这会使内部电源良好信号失效，这反过来又会使控制器的软启动引脚放电。
---此例显示内部通信如何使加电及断电序列的处理变得更加容易——尤其在故障情况下。此外，不同IC处理这些情况也稍有些不同，且系统设计战略的关键是如何确保不同器件能共同有效地保护模块。