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PoE 原理与设计


PoE 原理与设计(结合 BCM59111 芯片) 原理与设计( 芯片) ———PSE 端 ———
Bing_Wu

说明: 资料比较多 但大多是一二十 比较多, 一二十页 说清楚。 说明:目前大家手头 POE 资料比较多,但大多是一二十页的 PPT,难以将 POE 说清楚。而 802.3at/af 协议则是将近 300 pages 的英文技术文献,

看明白的话需要很多时间。本文综合 的英文技术文献,看明白的话需要很多时间 技术文献 需要很多时间。 802.3at/af 协议、BCM59111 芯片 SPEC、Microsemi PD69012 SPEC 和 Huwei S1700 PoE 项目 协议、 的工作流程、术语参数、设计、测试进行说明 进行说明, 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、术语参数、设计、测试进行说明,并对 PSE 芯片的工作原理进行一个较为合理的推断,可以作为 设计者 一个入门指导。 入门指导 芯片的工作原理进行一个较为合理的推断,可以作为 POE 设计者的一个入门指导。 802.3at/af 协议还包含 PD 标准,有兴趣做 PD 电源接入的不可错过。 标准, 电源接入的不可错过。 因为本人 专业做 本人非 并且做 项目时技术水平有限 现在看来 技术水平有 看来, 因为本人非专业做 POE IC 的,并且做华为 S1700 POE 项目时技术水平有限。现在看来,有 所以就 一些地方写的不准确 地方写的不准确、 清楚甚至 正确的 因为后来不再继续深入研究 甚至不 后来不再继续深入 一些地方写的不准确、不清楚甚至不正确的,因为后来不再继续深入研究 POE,所以就没 继续完善 文档。但是本文任然不失为一篇很有具有参考价值的文档。有疑问的地方, 完善该 本文任然不失为一篇很有具有参考价值 有继续完善该文档。但是本文任然不失为一篇很有具有参考价值的文档。有疑问的地方, 协议。 可以自己 自己查阅 可以自己查阅 802.3at/af 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

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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: 线 1, 为正, , 为负.MDIX MDI 2 3 6 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。

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工作流程 检测----分级 上电----断开检测 分级----上电 断开检测----断电 检测 分级 上电 断开检测 断电

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2.Detection

探测方法: 两点法:Rd = (VOUT_2 - VOUT_1) / (IDET_2 - IDET_1) △V>=1V(typically 1.5V) ,Tbp>2ms. 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 Tdet<0.5S; BCM59111 typically 258ms。 接受 PD 阻抗 Rdok=19.0kOhm~26.5kOhm; Isc=5mA (short circuit) Vop=30V (Ropen≥500K) 检查 PSE 对 PD 有效检测功能;满足 IEEE 802.3.af/at 标准规定,即
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接受 PD 阻抗 RDOK=19.0kOhm~26.5kOhm; 拒绝 PD 阻抗 RDBAD≤min.15.2kOhm 或≥max.32kOhm; PD 开路阻抗 ROPEN≥500kOhm; 接受 PD 签名电容 Cgood≤150nF; 拒绝 PD 签名电容 Cbad≥10uF。 DET Short Low Valid High/open Open Too high CLASS R (ohm) 0-500 500-15k 19.5k-26.5k 33k-50k 50k-500k >3M 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: BCM59111, 对 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。

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3.Classification Tpon:<400ms 在一次有效地检测之后,PSE 应该在 Tpon 的时间内供电,分级就 在 Tpon 的时间段内。如果没有供电,就要开始一侧新的检测。 分级电压:14.5V—20V 分级时间:10ms—75ms 802.3af 进行一次分级即 1- event physical layer classification。802.3at 则可以选择 1- event physical layer classification 和 2- event physical layer classification。 (详细参 考 802.3at 协议 page 60) 。下面以 BCM59111 的 2 event 分级为例讲解。 PD 吸收电流进行响应:

(802.3af pd 功耗分级)

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802.3at 分级

Tcle1=11.5ms(first class-event time ) 如果分级成功,PSE 供给 PD 需要的负载(会考虑可能是 100m 网线损耗) ,
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若分级不成功,则考虑签名电阻不是有效地 25K,PSE 会按照 class0 供电。 如果 PD 鉴定自己是是 type 2(802.3AT),PSE 自己也必须统一为 type 2,否 则 PD 以 class0 吸收功耗,功能会受限制。根据要求,type 2 PD 必须在物理层和 数据链路层都有确认,在数据链路层通过 LLDP(link layer discovery protocol 链路 层发现协议)数据通讯确认。但是实际上 PSE 端在物理层和 data link 之后的确认 要晚了很多,过渡期采用 class0 供电。 BCM59111 兼容两种分级模式,默认“2-event”或者叫“2-finger”分级。即 分级电压降低到 7-10V 之间(mark event) ,该低电压告诉 PD 对 class 4 的分级进 行确认,同时告诉 PD 对接的 PSE 是 type 2 型的。BCM59111 Tme1=9.2ms(规则要 求 6-12ms)。之后进入 class event 2, Tcle2=11.5ms,规则要求 6-30ms, Tcle1 一致。 与 之后进入 Tme>=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
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terminals.

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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。

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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)
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802.3at:

根据标准,PD 上电冲击电流起码可以支持 180uF(<180uF)的容性负载。 802.3af 协议 PD 一侧有说明:当 port 上的电容量小于 180uF 时,电压上电时的 充电电流 Irush 应该由 PSE 控制。 如果 Cport 大于 180uF,PD 应该限制 Irush 大小使 满足要求。

802.3at 标准要求冲击电流计时器(大于 50ms)计数完毕,之后电流不再受限制, 实际上讲,就是 FET 管的导通压降要很小。 以下为个人对 PSE 芯片工作原理推断:

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BCM59111 block diagram

PD 69012 POE manager-block diagram 电流计时器(计数完毕,FET 由横流区转换为工作于可变电阻区,端口电压 也达到最终的设定值。 (59111 要求端口达到 40V 并稳定) 。 参考下面 PD69012 端口供电示意图,注意端口有一个 46.4K 的电阻。BCM59111 的芯片示意图未画出此电阻,但是有文字提示内部集成有 50K 的泄放电阻。 BCM59111 的 PD 与该电阻处于并联关系,该电阻作用类似上拉,上拉的电 压为 Vpos (V48)。PSE 芯片内部集成的 FET,芯片通过控制 Vgs 来控制电流,进一 步通过该
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Vout=Vpos-46.4KXIport 来控制端口电压。 而 PD69012 的芯片应该是直接控制外部 FET 的 Vd 和 Vg, 在实际中,将 POE 板子 46.4Kohm 电阻去掉,则 PoE 会无输出。

分析:以 N 沟道结型 FET 为例分析 恒流区:Uds> I Ugs(off) I 0>Ugs>Ugs(off) (Ugs(off)<0) 可变电阻区:0<Uds<I Ugs(off) I 0>Ugs>Ugs(off)

以 N 沟道增强型 MOS 管为例分析: 可变电阻区:Ugs>Ugs(th) Udg<-Ugs(th) 恒流区: Ugs>Ugs(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)<2.0ohm。 假设 Iport=450mA,则导通状态下,Uds=0.45AX1.4ohm=0.63V。就是说 MOS 管的 导通压降很低。 由输出特性曲线图还可以看出,在可变电阻区,Rds 更小。 在可变电阻区,Id(即 port 电流)随 Vd 变化,假设此时 BCM59111 对 Iport 没有
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其他控制, 线路电流将取决于线路上的阻抗。参考 RC 电路的零状态响应曲线) ( 。

为支持 PSE 最大 75ms 的 inrush 计数器设置,协议要求 PD 支持大于 80ms 延迟,这个延迟许上电成功之后 PSE 将 type1 的限制电流(I limit)z 转换为 type2 的(如果有需要的话) 。如果 PD 要求高功耗,而 PSE 为 type1 的 I limit,则停止 上电。 协议要求 type2 的上电支持 af 上电(called “legacy power up”),不同之处在 于 AF 上电检查端口电压是否稳定时不要求 inrush timer 结束, 也不处于 I limit PSE 状态。BCM59111 此功能可以由软件打开。

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5.maintain power and DC disconnect

802.3af: 当 DC 电流>=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
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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。

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6.AC MPS and Disconnect

当 PSE 检测到 PI power interface) ( 上的 AC 阻抗=< Zac1=27Ko 就考虑有 AC MPS
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(maintain power signature) component 出现。当 Zac>=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: 1.9V<Vopen<10%Vport=(44V-60V)。 Vopen/t=SR<0.1V/us,(SR:slew rate).该 AC 电压的频率 Fp<500HZ。 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。
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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。
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9.线路、保护、layout 规则 线路、保护、 线路 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。

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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 名词解释 Tpon: power-on duration
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Tpdc: classification time (only one finger classification 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 附录

6ms-75ms)

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-PW R AT.xls

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