應用于校園的PoE電源的設計

呂 露，黃 濤，袁航空

(1.武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074;2.烽火科技集團武漢虹信通信科技有限公司，湖北 武漢 430074;3.世紀民生科技股份有限公司武漢群茂科技有限公司，湖北 武漢 430074)

責任編輯:魏雨博

當前，校園安全是全社會關注的焦點，它與每個學生、家長、老師都有著密切的聯(lián)系。隨著科學技術的進步，越來越多通信及安防技術在校園中得到了應用。但是隨著用電設備的增加，用到電線的地方越來越多，電線表面的絕緣體是膠質的，易老化破損，在使用中不可避免會發(fā)生磨擦，加速了電線的破損，極易引起火災、造成觸電事故。另外，電線的安裝敷設是一項非常需要專業(yè)知識和技能的工作，國家明文規(guī)定，安裝電線和電氣設備必須由專業(yè)電工操作。對此，PoE電源的安全性、敷設的簡易性等優(yōu)勢得到人們的廣泛關注。

1 PoE電源工作原理

以太網(wǎng)供電 (Power over Ethernet，PoE)是指在現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線基礎架構下，不需要電線就可以用同一條以太網(wǎng)電纜為基于以太網(wǎng)的終端設備供電并傳輸數(shù)據(jù)信號。PoE系統(tǒng)主要由供電設備PSE(Power Sourcing Equipment)和受電設備PD(Powered Device)構成。目前已經(jīng)定義了兩種供電方式，分別為模式A和模式B。通過數(shù)據(jù)對(1/2、3/6)給PD供電被稱為模式A(如圖1)。由于直流48 V與數(shù)據(jù)頻率不同，互不干擾，所以可以在同一對線上既傳數(shù)據(jù)又傳電源。1/2相連，既可為正也可為負，3/6反之。模式B(如圖2)是通過空閑線(4/5、7/8)傳輸電源。4/5為正，7/8為負。一般來說，標準的PD必須支持兩種受電方式，而PSE只需采用任意一種供電方式即可［1－2］。

圖2 供電方式B

標準PoE電源供電方式有5個步驟，分別為:

1)設備檢測。檢測PD是否支持 IEEE 802.3af/802.3at標準。

2)功率分級。由于PD種類較多，所需要的電源功率不同，所以當PSE設備檢測到PD設備之后，需要為PD進行分類，評估此PD需要的功率。

3)正常供電。

4)電源管理。實時監(jiān)控并管理PD受電設備，為其提供穩(wěn)定、可靠的48 V直流電。

5)斷電。當檢測到PD設備斷開時，PSE設備就會快速地停止供電［3］。

2 低成本PoE電源設計方案

目前有很多成熟的PoE管理芯片及解決方案，需要結合MCU來實現(xiàn)整個PoE方案，在保證了安全的同時也造成了較高的價格?，F(xiàn)在設計一種低成本的PoE電源，即去掉管理芯片及相應的軟件也可以通過較為便宜的硬件電路實現(xiàn)輸入過壓、輸出過流、過壓保護、輸出短路保護等安全措施。本文以60 W雙口PoE電源為例(最大輸出可達70 W)，每口的最大功率30 W，效率≥87%，電壓調整率≤±0.5%，負載調整率≤±2%，輸出紋波及噪音≤100 mV。采用以空閑線傳輸電源的供電方式B。

2.1 AD/DC主電路設計

AC/DC電源采用單端反激電路(如圖3)，先經(jīng)整流濾波，交流220 V變成直流，由PWM控制器進行脈寬調制，經(jīng)高頻變壓器變成高頻交流，再經(jīng)整流濾波產(chǎn)生直流48 V。

U1為UC2845，是一種高性能的固定頻率電流型PWM控制器，自帶欠電壓鎖定、過電壓保護、過電流保護等保護功能［4］。Q2 為Infineon 生產(chǎn)的SPA06N80C3，其VDS=800 V，ID=6 A ，RON－DS=0.9 Ω，低導通電阻有利于提高電源的效率。取樣反饋電路由U2、U4及周邊的電阻、電容構成。U2為PC817型光電耦合器，具有上下級電路完全大于等于隔離的作用，減少了電磁干擾，抗干擾能力較強。U4為三端可調穩(wěn)壓管TL431。

穩(wěn)壓效果好是本電路最主要的特點。電路的反饋環(huán)路工作過程如下:當輸出電壓升高時，分壓電阻兩端電壓VR38升高，即接到U4的參考輸入端的電壓升高，后與其內部的2.5 V基準電壓作比較，U4陰陽極間電壓VKA降低，流過PC817型光耦的發(fā)光二極管電流增大，通過“電－光－電”的轉換，U2集射極間電壓變低，U1的1腳(UC2845內部的誤差放大器輸出端)電平變低，占空比減小，傳輸?shù)酱渭壘€圈和自饋線圈的能量減小，最終，輸出電壓被降低。反之亦然，總的效果是實現(xiàn)輸出電壓保持恒定，不受電網(wǎng)電壓或負載變化的影響。該電路不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調穩(wěn)壓管TL431和線性光耦PC817做外部誤差放大器，比UC2845內部的誤差放大器精度高，使得輸出電壓在負載發(fā)生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化，具有很好的穩(wěn)壓效果。

圖3 AC/DC簡化電路圖(截圖)

2.2 保護電路

為了提高電源的安全性，還需增加幾個保護電路，包括:防雷電路、輸入過壓保護電路、輸出過電壓、過電流保護電路等。

2.2.1 防雷電路

防雷電路(如圖4)由保險絲F1、壓敏電阻MOV1、MOV2、MOV3(型號:TVR20621)和氣體放電管Z(型號:2R600)組成，雷電防護等級10 kA。交流輸入火線經(jīng)保險F1與零線接壓敏電阻MOV1，當交流輸入L、N電壓過高時，MOV1短路，保險管F1熔斷，從而保護后級電路。當交流輸入受到雷擊，氣體放電管Z1瞬間放電，L通過MOV2，N通過MOV3與Z1一起對地泄放雷擊電流，可以泄放10 kA電流，從而保護后級電路。

圖4 防雷電路

2.2.2 輸入過壓保護電路

經(jīng)過電阻分壓，R36的電壓大于2.5 V時，TL431輸出級導通，R46兩端電壓降低，Q3通，UC2845A的1腳被下拉，UC2845A輸出端關閉(如圖5)。

圖5 輸入過壓保護電路

2.2.3 輸出過電壓、過電流保護電路

U7為電壓比較器，對電阻參數(shù)進行調整，可以設置理想的保護點(如圖6)。

圖6 輸出過電壓、過電流保護電路

U7A為輸出過壓部分的比較器，其中

當輸出電壓升高時，一旦VR37＞VREF，電壓比較器輸出低電平，D8導通，光耦中發(fā)光二極管的電流變大，光電三極管導通，UC2845的1腳為低電平，PWM鎖存器復位，關閉輸出。這時，UC2845的腳6無輸出，MOS管Q2截止，從而保護了電路。

U7B為輸出過電流保護電路的電壓比較器，其中Iout取自主電路中取樣電阻R63、R64并聯(lián)處，電壓為負值。輸出過流保護電路的原理與過電壓保護電路類似，該電路還采用了PI調節(jié)器，提高響應速率。

3 低成本非標PoE電源應用方案

PoE電源使一些小型網(wǎng)絡設備，例如VoIP設備、WLAN的接入點AP、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡攝像頭等基于IP的終端設備，可以利用網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)信號的同時直接獲得電源，不必再單獨鋪設電力線。這樣大大簡化了布線，保證了用電安全、降低了建設費用、節(jié)省了使用空間。另外，若結合UPS電源，還可以使網(wǎng)絡設備免受電網(wǎng)掉電的影響，在停電的時候仍然可以運轉。

目前，幾乎所有的高校會在宿舍樓的多個地方安裝視頻監(jiān)控攝像頭，對不良人員起到一定威懾作用;由于無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)采用無線數(shù)據(jù)通信，不僅對有線連網(wǎng)方式進行了補充和擴展，還使網(wǎng)上的計算機具有可移動性，在校園里得到了廣泛應用，每棟宿舍樓都覆蓋了一定數(shù)量的接入點(Access Point，AP)設備。另外，雖然目前VoIP技術在我國沒有受到政策的支持和保護，但是在校園網(wǎng)內使用還是非常有前景的。據(jù)了解，目前AP設備和槍式攝像機的最大功率一般不超過30 W，VoIP電話所需的功率則更小，并且由于網(wǎng)線能夠允許的電流不是太大，傳輸能力也跟距離有關，所以本文設計的帶各種保護功能、每口最大可提供30 W功率的低成本PoE電源非常適合于用電設備較集中、功率不太大但用電設備較多而又有一定成本壓力的校園。

本文設計的電源在實際生活中已得到應用，除了用電安全、施工方便外，它還有非常好的抗干擾、防雷性能。網(wǎng)線本身很容易受到磁場的干擾，但是采用PoE電源供電后就不需要再單獨敷設220 V的電源了，這樣便減少了對信號的干擾、降低了信號的衰減。另外，由于使用了不超過100 m的網(wǎng)線對設備進行集中供電，在雷雨天氣，該網(wǎng)線上不易形成感應電勢，擊壞用電設備中的電子元器件，有效保證了用電設備的使用壽命。在使用PoE電源時可以根據(jù)實際需要選擇多口的PoE電源，這樣既節(jié)省成本也便于管理。

4 結束語

“以人為本，平安為先，加快建設平安校園”絕不是一句空洞的口號，每個人都應該為此做出一些努力。低成本PoE以太網(wǎng)供電技術可以很好地應用在對安全要求較高、用電線路改造成本控制較嚴的場合，有一定的現(xiàn)實意義。如何提高PoE電源的功率、效率、穩(wěn)定性并進一步降低成本是人們需要繼續(xù)研究的課題。

［1］IEEE 802.3at—2009［EB/OL］.［2012－07－01］.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.3at－2009.html.

［2］韓景生，孫國強.以太網(wǎng)供電技術的研究與應用［J］.儀器儀表學報，2005，26(8):493－494.

［3］黃繼文，張勁松，彭星波.以太網(wǎng)供電技術［J］.低壓電器，2011(22):40－43.

［4］Current Mode PWM Controller.［EB/OL］.［2012－07－01］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/Uc2845.pdf.