POE网络交换机设计方案
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一、引言 POE(Power Over Ethernet)以太网供电，指的是在现有的以太网Cat.5布线基础的架构下不作任何改动，在为一些基于IP的终端设备(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能同时为此类设备本身提供直流供电的技术。POE设备包括电源输出设备PSE和电源接受设备PD,本文重点讨论电源输出设备PSE. 利用POE技术，用户无需再为每个连接POE的终端设备提供墙壁电源，从而节省了为连接IP电话、无线LAN接入点、视频监视摄像机、建筑物管理系统和远程视频亭等设备所须的电源布线成本。 此外，借助PoE,企业还能够将一些关键的设备锁定在一个电源上，用UPS备份电源支持整个系统，如此一来，必将大大提高整个系统的供电保障，从而提高整个系统设备的可靠性和安全性。 二、系统遵循的标准 随着以太网在全球使用日渐趋于平民化，相应的组网设备迅速得以开发，在长期的使用中，与之配套的供电电源一直是困扰组网的终端设备进一步普及的瓶颈之一。于是，通过以太网数据线对或备用线对来实现以太网设备供电的标准自然地随着市场的需求和技术的开发得以颁布执行。 IEEE802.3af标准对以太网供电(POE)及相关的实施细则做了详尽的规定。该标准作为一个基于以太网络的电源传输协议，详细规定了相应的送电设备(PSE)对受电设备(PD)进行供电的机理。其中包括了对受电设备进行在线测试，分级处理，启动供电，断接保护等多项技术的实施细则。协议还对以太网输电线路(PTL)作了详细的规定。 本文的系统方案完全建立在上述标准的基础上进行设计，系统在确保现有结构化布线安全的情况下，同时保证现有网络的正常运作，从而最大限度地降低了成本。 三、芯片选择与电路设计 在系统设计前，我们比对了国际上多款能实现PSE功能的芯片，美国美讯公司的MAX5980因其设计卓越，配套方案合理，整个管控渠道的通畅而引起了我们的注意。这在为我们以后的设计起到至关重要的作用。 MAX5980是一款四通路的电源送电设备(PSE)的电源控制器。芯片是专门为用于符合IEEE 802.3at/af及兼容的PSE设备设计的。 根据标准的要求，该器件针对后端的受电设备具有，探测，分级，限流，和负载断开检测等功能。该器件支持全自动操作同时支持软件编程控制。该器件还支持新的两事件分级和针对大功率的受电设备的第5类探测和分级功能。 该器件支持单电源供电，每个端口(第五类启用)可提供高达70W的功率，同时可提供对后端原有的受电设备的高容抗检测。 根据MAX5980的技术特性，我们首先设计了一个4路PSE的电原理图，如图1所示。
根据芯片资料，PSE控制器MAX5980的输入电压设计为48V直流。芯片的输出部分采用4个大功率的场效应管作为4个网络供电输出的电流控制端。 48V直流输入由开关电源提供。电源通过网络端口输出，提供给后端的受电设备。场效应管是整个电源输出的控制回路中的关键元件。回路中场效应管的源极接0.25欧姆取样电阻，然后再返回到芯片。 输出电流经场效应管，通过取样电阻采样，监测输出回路的电流。芯片可以随时通过SENSE端口进行取样，读取后端PD设备的负载特征。经过判断，芯片可控制场效应管的G极做出各种控制响应。 根据802.3at协议的定义和芯片的功能设计，芯片将根据不同的采样数据进行判断，然后再进行检测，分级，端口电压启动，过流保护，欠压和过压保护等动作。从而实现整个芯片系统的运行。 在调试过程中，在48V输入端并接了2个0.1uf的电容，用来抑制电源的纹波系数，增强抗干扰能力，提高电源的可靠性。同时，在48V的端还选用了SMIB58瞬态抑制管，用于防止大电流的冲击，避免器件受损。 MAX5980的1、2、3脚为外接串行总线的接口线，本文中不采用I2C串行总线，根据设计文献要求，必须将这3根线接地。 芯片的5、6、7、8脚作为器件的从地址的位置编码端，在设计中也必须接地。 根据IEEE802.3af协议对PSE和PD之间接口定义的连接标准，POE的网络交换机的端口接线方法有两种接法，如图2、图3所示。
图2为A型接法，其中的RJ45端口在承担传输输入输出信号的同时还需要传输直流电，1、2芯线为正极输出，3、6芯线为负极输出。 图3为B型接法，图3所示的RJ45的4、5,7、8芯线用做PSE的直流电源的输出。其中的4、5芯线连接电源的正极，7、8芯线连接电源的负极。 由于在RJ45的端口定义中，4、5,7、8芯线不承担信号传输的功能，因此，在PSE的设计中需要考虑的电气特性相对简单。本文中选择了B型接法作为系统设计的电源输出，这也将为之后的与交换机芯片合成带来方便。 MAX5980的取样关键在于输出电路取样电阻的测试精度，因此，在具体的PCB布线设计时采用了开尔文检测的布线方式，从而保证了电路的测试精度。这点在具体的布线布局和设计中尤为重要。每个取样电阻都采用1206的封装，可以减少因电路的走线带来的采样偏差。 四、交换芯片的配合应用 本系统采用IP175C芯片作为以太网网络交换机的处理器。该芯片是专门为小型的企业和家庭级的以太网交换机设计的处理芯片，芯片已经长期使用，状态情况良好，性能稳定，业界评价很高，是与MAX5980相配合的理想的交换芯片。 有关IP175C芯片这部分本文不再进行展开描述，重点对修正部分进行必要的阐述。 为保证MAX5980的工作稳定，IP175C的工作电压必须从MAX5980的输入端接入，通过LM2594降压至IP175C所需的工作电压。同时，网络交换机和PSE的端口指示电路的供电电压也必须从MAX5980的输入端接入。 以太网的数据信号，经过IP175C处理器进行交换处理，信号从RJ45端口输出，接口电路如图4所示。
为了保证数据信号的传输质量，芯片信号的输入输出都是成差分对的，在设计和布线时候都必须围绕着这个特点展开。 如图4所示电路中的网络隔离变压器主要用作传输信号中的电平转换，以增强数据信号的传输能力，提高信号的抗干扰能力。 PSE的直流输出如图所示接入，并通过RJ45端口输出为后端供电。为了保证电气特性稳定，在2个端口和机壳间都增加了滤波电容。 五、POE网络交换机的仿真测试 下图所展示的是POE网络交换机仿真测试示意图。
MAX5980在与IP175C网络芯片构成完整的5口的带有POE功能的网络交换机后，其中的第一端口作为网络级联口，用作连接上层交换设备。其余的4个网络端口都具有对后端进行网络供电的带有POE功能的端口。在根据上文的系统方案设计完成后，经过仿真测试，该方案的设计完全满足设计时所提出的要求。系统工作正常，性能稳定可靠。 六、结束语 本文通过对MAX5980芯片与以太网网络交换机芯片进行联合分析，提出了基于MAX5980芯片的POE网络交换机设计方案。本文设计的POE交换机作为新推出的网络交换设备，对以太网的方便架构起着十分重要的作用。 最后通过方案的系统设计及测试，论证了POE芯片结合网络交换机实际应用的可行性，该方案设计完整，运行稳定，能充分满足后端网络的各类受电器件的正常工作。 |
