概述
既然媒體相關接口 (MDI) 供電添加到了 IEEE 802.3af 標準，那么數據終端設備 (DTE) 便可以通過現有數據傳輸線纜獲得電源。IEEE 802.3af 標準對通過現有線纜提供和接收電源的相關要求進行了定義。供電設備 (PSE) 通過線纜提供電源，而用電設備 (PD) 則接收電源。
供電設備檢測
用電設備 (PD) 通過參與 PD 檢測算法[1]來吸收電源或者請求電源。該算法要求供電設備 (PSE) 探測搜索有效 PD 的鏈接。PSE 通過在電源線上發送一個 2.7V 和 10.1V 之間的電壓來探測這種鏈接。一個有效的 PD 檢測到該電壓，然后在電源線上設置一個額定 25k 歐姆的電阻。由于電壓在 2.7V 和 10.1V 之間變化，V-I 斜率從 12k 歐姆變為 45k 歐姆。額定 25k 歐姆檢測電阻條件下這一范圍內的任何斜率都為一個有效的 PD 信號。檢測這種電流時，PSE 斷定在以太網線纜端連接了一個有效 PD 并且正請求電源。
在檢測階段之后，PSE 可以選擇初始化一個 PD 類別。PSE 使用 PD 類別來確定正常運行期間 PD 要求的最大電源。表 1 列出了 5 種不同的類別層次。
表 1 用電設備類別層次
| 類別 | 使用 | 電源設備功率 (W) | 分級電流 (mA) | ||
| 最小 | 最大 | 最小 | 最大 | ||
| 0 | 默認 | 0.44 | 12.95 | 0 | 4 |
| 1 | 可選 | 0.44 | 3.84 | 9 | 12 |
| 2 | 可選 | 3.84 | 6.49 | 17 | 20 |
| 3 | 可選 | 6.49 | 12.95 | 26 | 30 |
| 4 | 不允許 | 留作以后使用 | 36 | 44 | |
PSE 可以分類 PD，但只能在檢測到一個有效 PD 以后才可以實現。為了確定 PD 類別，PSE 在 14.5V 和 20.5V 之間升高電源線的電壓。PD 吸收的電流量決定該類別（參見表 2）。
用電設備控制器的選擇
IEEE802.3af 規范對通過線纜為 PD 安全供電以及斷開 PD 時移除電源的方法進行了定義。IP 電話易受靜電放電 (ESD)、浪涌電流、EMI 和線路瞬態的影響。使用用電設備控制器（例如：TPS2375）可以通過限制開發 IEEE 802.3af 兼容用電設備所需所有特性來提供保護。在選擇一種用電設備時，需記住更高的 VDD 到 VSS 額定電壓幫助保護 IP 電話免受破壞性瞬態的損害[3]。最大持續電壓可以高達 57V，但是瞬態會高得多。如果用電設備控制器的最大額定電壓高達 100V，則設計人員可以使用一個低成本的瞬態抑制齊納二極管。否則，需要一個更高質量的輸入瞬態電壓抑制器來最小化輸入尖峰。在初次開啟過程中，流涌電流出現在輸入電容充電期間。用電設備控制器必須將這種流涌電流限制在 50ms 的 400mA 以下。如果需要一個大于 180uF 的輸入電容，請確定選擇了正確的電流限制閾值。考慮 ESD 并選擇一個可以滿足 15-kV 系統級 ESD 要求的用電設備是很重要的。另外，需要一些輸入二極管橋接來支持數據線以及兩種極性的備用線對以太網電源連接，同時還需要一個 EMI 濾波器來確保與以太網數據信號的噪聲兼容性。
系統總線電壓的選擇
設計 POL 構架的下一步是選擇一種 DC/DC 拓撲和額定總線電壓。在 PoE 應用中，隔離式反向或正向轉換器比同步或非同步降壓轉換器要更為流行，因為它們提供了隔離層，擁有較寬松的低電壓限制，并可通過一個附加變壓器繞組提供多個輸出電壓。另一方面，降壓轉換器更容易設計，因為它們要求一個電感而非變壓器。但是，它們在調節低電壓（例如：將 57V 輸入調節為 3.3V）時可能存在問題，因為存在最小導通時間限制。
PoE 應用中更為流行的總線電壓軌是 12V、5V 和 3.3V。大多數設計人員都會選擇 12V 電壓軌，因為沒有了增壓轉換需求。另一方面，如果 IP 電話中所需的最高電壓僅為 5V，則選擇 5V 為主電壓總線軌較為理想。
負載點DC/DC轉換
盡管該標準在 PSE 輸出端允許 15.4W，但在 PD 僅 12.95W 可用，因為以太網線纜的極端功率下降。因此，在設計一個負載點構架時，功效是一個重要的考慮因素。表 2 列出了典型 IP 電話功耗的評估。在表 2 所示舉例中，總功耗稍稍高于 7W。
如果忽略不計，功率轉換比在功率預算中起主導作用，其貢獻最大。所有未使用能量都轉換為熱，然后在 PCB 上耗散，最終散發到空氣中。開關調節器擁有 90% 以上的高效率，但如果電路板設計較差，則會要求一個外部電感，并會帶來開關噪聲問題。市場上的許多新型 DC/DC 開關調節器都擁有簡化設計的集成 MOSFET，并且通過低成本陶瓷電容器來實現穩定，從而節省電路板空間。
表 2 IP 電話估計功耗
| 功耗 | |
| LED 背光 | 0.60 |
| LCD 面板/數顯 | 0.20 |
| SOC（0.7-1.2W） | 1.00 |
| 閃存 | 0.10 |
| DRAM | 0.50 |
| 雙千兆網 PHY（1.2-2W） | 1.20 |
| 音頻（1.5W 揚聲器） | 1.00 |
| Misc.（時鐘等） | 0.10 |
| 小計功耗 | 5.70 |
| 電源管理 75% 效率 | 1.43 |
| 總功耗 | 7.13 |
線性穩壓器擁有低噪聲和小電路板空間，因為旁路元件 (pass element) 不進行開關，并且不需要電感。一些新型線性穩壓器已經得到使用，只要有偏置電壓，它們便可接受低輸入電壓并提供低輸出電壓。例如，現在，只要可以使用 3.3V 為線性穩壓器的電路供電，便可將 1.8V 軌轉換為 1A 下的 1.5V。這種情況下，83% 的效率得以實現。
結論
設計 IP 電話電源解決方案并通過以太網線纜供電與使用標準 AC/DC 墻上適配器之間的權衡對比提出了一些設計挑戰。本文決不是要代替 IEE802.3af 規范，而是通過一些簡單的設計實例，在 IP 電話中實施一種用電設備解決方案，從而實現在適用情況下利用以太網線纜獲得電源的諸多好處。
參考文獻
1) 《IEEE 802.3af PoE 用電設備控制器 (SLVS525B)》，TI，2008 年 4 月：http://focus.ti.com/lit/ds/slvs525b/slvs525b.pdf。
2) 《用電設備控制器比較 (SLVA167)》，作者：Heping Dai，TI，2004年5月： http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract.tsp?abstractName=slva167
作者簡介
Rich Nowakowski 現任 TI 高性能模擬產品部 DC/DC 轉換器產品營銷經理。他畢業于北達科他州立大學 (North Dakota State University)，獲電子工程理學士學位和工商管理碩士學位。
T.Y. Chan 作為 TI 通信基礎設施和語音產品部科技委員會的一名資深委員現任 VoIP 平臺定義經理。他畢業于布拉德利大學 (Bradley University)，獲電子工程理學士學位和電子工程碩士學位。