PoE原理与设计.26665.pdf

1 /30 PoE原理原理与与设计设计（结合 BCM59111芯片芯片）PSE端 Bing_WuBing_Wu 说明说明：目前大家手头POE资料资料比较多比较多比较多，但大多是但大多是一二十一二十一二十页页的PPT，难以将POE说清楚说清楚。而802.3at/af协议则是将近300 pages的英文的英文技术技术技术文献文献文献，看明白的话看明白的话需要很多时间需要很多时间需要很多时间。本文综合802.3at/af协议协议、BCM59111芯片SPEC、Microsemi PD69012 SPEC和Huwei S1700 PoE项目进行较为全面的概括总结进行较为全面的概括总结，对POE的工作流程的工作流程、术语参数术语参数、设计设计、测试测试进行说明进行说明进行说明，并对PSE芯片的工作原理进行一个较为合理的推断芯片的工作原理进行一个较为合理的推断，可以可以作为作为POE设计设计者者的一个一个入门入门入门指导指导指导。802.3at/af协议还包含PD标准标准，有兴趣做PD电源接入的不可错过电源接入的不可错过。因为因为本人本人本人非非专业专业做做POE IC的，并且并且做做华为S1700 POE项目时项目时技术技术技术水平有水平有水平有限限。现在现在看来看来看来，有一些一些地方地方地方写的写的写的不准确不准确不准确、不清楚清楚甚至甚至甚至不不正确正确的的，因为因为后来后来后来不再不再不再继续继续继续深入深入深入研究研究POE，所以所以就就没有继续继续完善完善完善该该文档文档。但是但是本文本文本文任然任然任然不失为不失为不失为一篇一篇一篇很有很有很有具有具有具有参考参考参考价值价值价值的的文档文档。有疑问有疑问的的地方地方，可以可以自己自己自己查阅查阅802.3at/af协议协议。目录 1.POE 分类.2 2.Detection.5 3.Classification.8 4.power up.12 5.maintain power and DC disconnect.18 6.AC MPS and Disconnect.20 7.overload and short circuit.21 8.power down.23 9.线路、保护、layout 规则.24 10.POE 测试.26 11.名词解释.26 12.附录.27 2 /30 1.POE分类 802.3at/802.3af 阻抗平衡要求 POE 设备分为端跨（end span）和中跨(mid span)。END span 电源在交换机内，MID SPAN 电源在交换机和 PD 之间。MID SPAN 设备要用 Alternative B,即 MDI/MDIX 的 4，5(正极)，7，8（负极），仅支持 10base-T和 100base-TX，不支持 1000base-TX。END SPAN 则支持 Alternative A 和 Alternative B 全部支持。Alternative A 即：MDI 线 1，2 为正，3，6 为负.MDIX的 1,2 为负，3,6 为正。且支持 1000base-T。NOTE:上述 MID SPAN&END SPAN 出自 802.3af 协议。802.3at 中有较大变化。802.3AT 中，有支持 1000base-T的 MID SPAN 设备。3 /30 4 /30 工作流程 检测-分级-上电-断开检测-断电 5 /30 2.Detection 探测方法：两点法：Rd=(VOUT_2-VOUT_1)/(IDET_2-IDET_1)V=1V（typically 1.5V），Tbp2ms.802.3at/af 中都定义的两点探测。四点法(from BCM59111 datasheet)：Rd1=(Vout3-Vout1)/(Iout3-Iout1)Rd2=(Vout4-Vout2)/(Iout4-Iout2)RD1=RD2(very close);作用：1，即使在噪声环境下，也可以避免误上电（PSE 接 PSE）。2，消除漏电流（up to 12uA）和二极管偏压（up to 2V）的影响。（802.3at required）3，有效地消除通过 MOS 管的异常漏电流。Vdet:2.8V-10V Tdet3M BCM59111:The“bad”or“invalid”signature include any capacitance higher than 10uf irrespective of resistance,the intent being that legacy PDs(that is,non-IEEE 802.3at-based)can be always rejected by an IEEE-802.3at-based signature detection process.A voltage offset of less than 2.0 volts DC in the signature characteristics,a current offset of less than 12mA in the signature characteristics.as stated in the 802.3at standard,the mandatory“valid”or”good”range of signature resister is 19.5k to 26.5K,and includes port capacitance as high as 520nF on the PSE side combined with up to 150nF on the PD side，result in a total 670nF.Short DET(如果需要):port 加载 2mA的电流源。多个端口公用。OPEN DET：对 BCM59111，检测之前要做开路检测，如果检测电压到达 15.5V（本来应该是 2.8V-10V）,就会测到“too high”,59111 申请内部集成的一个泄放电阻并入电路，对端口和线缆的电势进行泄放。检测过程可能随时被开路检测打断。泄放电阻大于 45K，可以避免 59111 在 PSE 接 PSE 时被误认为合法 PD。7 /30 8 /30 3.Classification Tpon:=6ms 的 mark event 2，BCM59111 为 9.2ms。Mark event 阶段的电压不能小于 7V，否则会导致 PD 电压降低到 reset 值，PD复位会忘记 PSE 的 type 2 类型，导致 PD 功能受限。一般地，在 class event 到 mark event，PSE 不会降低自己的电压，压降来自与PD 最低要求的 0.25mA电流和分级电流。在这两个阶段，PSE 一端则会把45K的泄放电阻（leakage resistor）并联在 port 上。BCM59111 的另外一种分级模式，Type 1的 PSE，接初次分级检测到是 0，1，2，3 级别的 PD，则没有 event 2，经过 6ms-75ms 的分级时间 Tpdc 后供电。PSE shall provide Vclass between 15 and 20 volts,limited to less than 100 ma at its 11/30 terminals.12/30 4.power up 所有的商用芯片，包括 BCM59111，在输出端有 0.1uF 的端口电容。13/30 BCM59111 具有边沿控制功能，与端口电容和受限的端口电流一起，控制端口电压缓慢上电。在没有端口电容的情况下，上升时间大概是 14us。控制上升时间的意义：充电电流要求 802.3af：Irush=400mA-450mA 时间：50ms-75ms(BCM59111 65ms)14/30 802.3at:根据标准，PD 上电冲击电流起码可以支持 180uF（I Ugs(off)I 0UgsUgs(off)(Ugs(off)0)可变电阻区：0UdsUgsUgs(off)以 N 沟道增强型 MOS 管为例分析：可变电阻区：UgsUgs(th)UdgUgs(th)Udg-Ugs(th)以力神2N7002HG-T3 为例，看一下MOS管的两个参数：Vgs(th)和Rds(on)=Imin2(5-10mA)并且持续时间大于 Tmps(60ms),PSE将 DC 供电。当 Idc 在 Imin2 之间时，PD 可能是接入的也可能是断开的。当 DC 电流在 Imin1(0-5ma)之间并且持续时间大于 Tmpdo(300-400 ms),PSE断电。Tmps 是只用于 DC MPS component的参数。在每一个 Tmps+Tmpdo的周期 19/30 内，只要C电流=Imin2(5-10mA)并且持续时间大于Tmps(60ms),PSE 就不会断电。这就使 PD 可以工作在低功耗状态。DC 断开：PD 持续吸收电流，PSE 通过计时器 Tmpdo(maintain power drop out)监控，标准要要求监控时间为 350ms-400ms，当 port 电流小于 I(hold)min 5mA时触发计时，超过 Tmpdo 的值就断电。如果期间有大于 I(hold)max 10mA的电流出现超过 Tmps，则计时器清零重新计时。协议要求 Tmps 大于 60ms,但 BCM59111的规格书认为协议本身暗示不需要 60ms（甚至 10ms）就可以复位 Tmpdo，在此处有误导，BCM59111 Tmps典型值 49.5ms,最大 55ms，同时支持软件配置Tmps=10.5ms 的典型值，最大 13ms。参考下图过程：418ms=350ms(power maintain time)+65ms(power up time)DC disconnect 之后 200ms,PSE 开始 PD 检测过程。20/30 6.AC MPS and Disconnect 当 PSE 检测到 PI（power interface）上的 AC 阻抗=Zac2=1980kohm（该阻抗值不应该包括任何负阻特性组件或容性感性组件）时，PSE 就要考虑 AC MPS component 断开，如果 AC MPS缺席时间Tmpdo=(300,400)ms，端口断电。Microsemi 公司的 PD69012 芯片采用 AC和 DC 两种断开检测方式，关于 AC的描述：Vopen：PD 已移除，但 PSE 还未检测该断开时 PSE 端口的 AC电压，是一个峰峰值电压 VPP：1.9VVopen10%Vport=(44V-60V)。Vopen/t=SR0.1V/us,(SR:slew rate).该 AC电压的频率 Fp500HZ。Vopen1：PD 移除，PSE 已检测到这个移除并且 PSE 开始断电，是一个峰值电压Vp,30V.(Vport=44V)。Vport1 的作用协议中未有说明，只有这个规格要求。Vclose：PD 尚未移除时 PI 上的交流电压。Vpp:Vport:PD 断开瞬间，PD 上的电压，Vp,60V。7.overload and short circuit 若果 PI 线上的电流在大于 Icut 的时间超过 Tcut，则 PSE 关电。短路状态下，PI 线上的电流大于 Ilim 的时间大于 Tlim,则关电。22/30 23/30 根据负载大小，分为 ON OFF ON or OFF三个区 8.power down 关电时间 Toff 小于 0.5S,关电之后的电压 Voff 小于 2.8V.关电时间是在 PI 接320kohm 测试，电压从 Vport-pse 降到 Voff,当 Vpse 在稳定状态下降低 1V 之后计时。关电之后 port 处于闲置状态（IDEL STATE）,即：不检测，不分级，不供电。一直到线路上有电压超过 Voff。24/30 9.线路线路、保护保护、layout规则 BCM59111 芯片规格书提供了参考的线路设计、PCB 板和 layout 设计规则、以及一些防护规则，见下面附图。详细参考 BCM59111 规格书。特别注意的的 Layout 规则：1，线宽,按照 1mm 过流 1A，设计单口最大电流 37W/54V=0.6 实际工作最大 33W/54V=0.61A,即 0.6mm（0.6X39.37=24mil）线 前板子 25mil 宽。电源铜皮宽度：12portX25=300mil.2，主板引入的控制子板的信号线要与子板之间的电压隔离。内 量 50mil,外层尽量 80mil。25/30 26/30 10.POE测试 严格的 POE 测试要求几乎包括了 802.3at/af 协议的每一项数据标准。绝大部分的这些测试数据要求在协议 802.3af 协议的 Table 33-5(page 42)和802.3at 协议的 Table 33-11(page 63)中。掌握了这两个表格，基本上可以说就掌握了 poe 的技术关键。附录列出了这两个表格。另外容错容限测试，交换机/HUB对 POE 的管理功能的测试如整机功率、预留功率、优先级管理、强制供电输出等，主要是由软件控制寄存器实现的，可以参考 Huwei S1700 的POE 测试报告。该测试报告是我们首次比较完备的 POE 测试，因为华为提供的测试用例与项目不符和我们自身的设备和人员技术水平所限，测试结果有不足之处，但通过了华为的审核，有一定的借鉴意义。借鉴时有疑义，请查阅 802.3at/af 标准，以标准为依据。另外公司的 POE 项目有 802.3at/af 测试，采用 sifos 测试仪器，可以自动对这些技术数据进行测试、判断并生成报告，而且测试结果是 20 多次测试取的平均值，并且附注了每个测试项的说明，极为便捷可靠。缺点是只有数据没有波形。附录添加了一份 s1700 802.3at 测试的报告。11.名词解释 Tpon:power-on duration 27/30 Tpdc:classification time(only one finger classification 6ms-75ms)Type 1 PD:802.3af PD Type 2 PD:802.3at PD Tmpdo:maintain power drop out PI：power interface SELV：safety extra low voltage DTE:date terminal equipment Tdbo:detect back off time MAD：medium attached device MPS：maintain power signature 12.附录 小常识：1，每个 POE 端口的优先级可以分为 LOW、HIGH、CRITICAL 三个级别，依次升高，可以由软件来设置。在电源消耗过大时，低级别的端口最先掉电。同级别的端口，可以按照端口的排序设置优先级。如 S1700 的 POE 端口若在同一级别上，端口序号越大，优先级越低，比如如果将 port3、port7 都设为 LOW 级别，port3 的优先级就比 port7 高。2，PD 断开，PSE 负极会有 Vport存在，PD 供电，Vport消失。说明 PSE 负极电压不是网线过来的，而是 48V上拉开关 mos 管形成的，这也是为什么很多人测试 POE电压时，测出的上电波形反而是下电的原因。有时 port 线上的防反二极管烧坏了，POE 端口不供电，但是你用万用表去测量该二极管两端，会发现二极管是导通的，二极管两边都有 48V电压，其实已经坏掉了，它两端的电压不是从一个地方过来的，把二极管换掉就好了。S1700-52GFR-4P-PWR AT.xls 28/30 29/30 30/30