乙太网馈电网（Power-over-Ethernet；PoE）

网际网路像电视及电话一样，不但是消费者经常使用的通讯及娱乐工具，更是日常生活的一部分。由于无线路由器、网路摄影镜头、网路电话（VoIP电话）等设备的应用日趋普及，上网已远比以前方便，网际网路所提供的服务也日趋广泛。而这些设备都需要供电才可作业，因此它们可称为「受电设备」（Powered Device；PD）。表面上这些设备可以采用交流电插座提供的供电，但这样做需要另外铺设电缆，因此这个方案不太受欢迎。在这里将提出一个较好的解决方案，就是利用原本只用来传送资料的乙太网电缆，将电力由乙太网集线器输送往「受电设备」。这个方案的优点是无需另外铺设电缆。

乙太网集线器所提供的供电电压及乙太网电缆可以承受的电流量各有极限。为了确保馈电时电压及电流不会出现过载，以及为「受电设备」与乙太网集电设备（PSE）之间的介面制定一个统一而简单的标准，IEEE组织已就802.3af乙太网馈电网制定一系列的技术规格，以确保乙太网馈电网的负载反应不会超出有关的规范。

《图一 利用第 5 类（CAT-5）电缆馈电》

IEEE 802.3af 技术规格

按照IEEE 802.3af技术规格的规定，乙太网集电设备可以利用第5类（CAT-5）或第6类（CAT-6）电缆将44伏特（V）至57伏特的供电电压输送往「受电设备」，输电可透过电缆的冗余导线或使用传输资料的导线传送。若要使用传输资料的导线馈电，则必须在乙太网电缆的两端装设变压器，以便将供电及资料讯号集合一起及分开。

(图一)显示适合采用这两种馈电方法的电路。由于不同电缆导线的输电能力各不相同，因此输电功率可分为4W、7W及最高的15.4W等三种，而乙太网集电设备则可按照不同的功率分为四个不同的作业类别。划分这几个类别的好处是乙太网集电设备可以为每一电源供应器提供不超过其所需的功率，以便更多的设备可以获得供电，而且隔离及非隔离的「受电设备」都可获得供电。

乙太网集电设备按照以下程序核实电源供应器的要求：电源供应器连接乙太网电缆之后，乙太网集电设备会启动一个签名侦测（Signature Detection）相位，在这个相位内进行侦测，看看电源供应器是否出现与0.1μF平行的25Ω初始阻抗。必须为电源供应器预先设定这个阻抗值。一旦证实这一阻抗的存在，乙太网集电设备便会将电压输入电源供应器，并随即进行侦测，看看有关的电流是否出现，而不同的电流大小代表不同的作业方式，可以按照乙太网集电设备所需的功率大小将有关的工作划分（Classify）为不同的作业类别。所侦测的电流一旦证实存在，乙太网集电设备便会为电源供应器提供所需的电压，确保该类作业模式获得所要求的最高供电。此外，流入电源供应器的浪冲及短路电流绝对不会超过450mA。由于要为电缆预留一点压降，因此电源供应器必须可以在低至36伏特的电压环境下继续作业。

设计乙太网馈电网电源供应器需要考量的多个因素

以上所述清楚显示每一乙太网馈电网电源供应器必须设有符合802.3af规格的受电设备介面（PDI）。为了符合这个规格，早期的乙太网回馈电网电源供应器都在前端加设离散电路。但这个方法的缺点是设计较为复杂​​，所需元件也较多，而且对电源供应器设计工程师的技术要求也较高。

部分晶片商于是便将这个设计加以改良，新旧设计的主要分别是新设计加设了受电设备介面，以确保符合有关的技术规格，再加设另一利用脉冲宽度调变（PWM）控制器组建而成的电源供应器。虽然这个设计较先前的一个较佳，但仍需两颗设计复杂的积体电路为其提供支援才可充分发挥其效能。

第三个设计则将受电设备介面及脉冲宽度调变控制器整合到一颗单晶片之内，并在这个基础上设计整个电源供应系统。这个解决方案的优点是体积最小，效能也最高。 (图二)显示这三个不同的设计。

《图二 采用不同电路设计的以太网馈电网（PoE）电源供应器》

乙太网馈电网（PoE）电源供应器线路布局的不同考量因素

对于乙太网馈电网的线路布局来说，低成本及高效率是两个最重要的考量因素。任何针对大众消费市场的产品都必须控制低成本，而低成本的先决条件则是线路布局须简单。以上述的功率大小来说，驰回转换器（Flyback Converter）自然是最理想的选择。这是最基本的一种转换器，所采用的绝缘式线路布局不但最简单及成本最低，而且最适用于需要提供多路输出的系统。这个线路布局还可另外加以配置，以便提供不论极性及大小的输出电压。

虽然驰回转换器在进行低功率作业时，通常都采用间断导电模式（DCM），但采用连续导电模式（CCM）作业反而可以充分发挥转换效率。以连续导电模式为例，若输出功率已定，主线圈场效应电晶体（FET）的均方根（RMS）电流量会较小。间断导电模式有两个优点很多时都会被人提及，作为支持采用这种作业模式的论据，其一是这样便可采用较小巧的变压器，此外，控制传送函数（Transfer Function）之中令人烦厌的右半平面零点（Zero）可以上升至高频范围，导致这个半平面零点的数值只会产生微不足道的影响。但以乙太网馈电网的功率水平来说，若采用连续导电模式作业，变压器的铁心会更小，适合大部分的系统采用。此外，以乙太网馈电网的功率水平及输入电压范围来说，很快便可根据有关数值计算出，右半平面零点正好处于这样的高频区之内，而这样高的数值不会构成任何问题。以采用连续导电模式的驰回转换器来说，其右半平面零点可以利用以下的公式计算出来：

《公式一》

在上述公式中，VI​​N是输入电压，D是主线圈场效应电晶体的占空比，IIN是平均输入电流，而L是变压器的磁电感。以这个应用电路为例来说，若采用连续导电模式作业，变压器磁电感的合理数值是100H，加上最低输入电压为36伏特（V），最高输入电流为360mA，而主线圈场效应电晶体的相关占空比为0.4，换言之，若上述数值已定，那么无论在任何作业情况下，右半平面零点都会位于64kHz这个较低的频率极限（z）。由于这个频率已相当高，因此对于大部分乙太网馈电网的回授补偿器设计来说，零点的影响毕竟微不足道。

一般来说，由于驰回转换器利用其漏电电感储存电能，因此这类变压器的功率转换元件都会出现较大电压突波。但由于乙太网馈电网的最高输入电压只有 57 伏特，因此变压器无需绝缘也可确保安全，而且漏电电感可以降至极低的水平。这个设计可以提高效率，以及大幅降低电压突波，以致在一般的应用情况下都无需为乙太网回馈电网转换器加设电压缓冲电路及钳位电路。

乙太网馈电网电源供应器的理想架构

前述内容中也显示，连续导电模式驰回转换器的线路布局是最适合乙太网馈电网电源供应器采用的理想架构。连续导电模式驰回转换器只需采用一颗整合了受电设备介面与 PWM 稳压器的积体电路，因此线路布局极为简单，所需的支援电路也最少。对于不能承受太多输出电压涟波的应用来说，解决的办法是在电源供应器的输出端加设LC滤波器。目前部分较大的​​磁力装置供应商纷纷推出各种不同的乙太网馈电网驰回变压器，以满足乙太网馈电网的不同功率要求。由于市场上提供更多选择，因此要为连续导电模式驰回转换器构思一个理想的线路布局便显得更为容易。

采用连续导电模式驰回转换器的电源供应器若加设了二极体整流器，加上输出功率若定为13W，那么在一般的应用情况下（例如输入电压为48伏特而输出电压为3.3伏特），电源供应效率可达84%左右。输出电压若上升，效率则会上升。输出电压若下降，效率也会随着下降。若输出电压不变，效率也可进一步提升，但缺点是成本会相应增加。以3.3伏特的输出电压为例，效率也可在输出电压不变的前提下提高至90% 左右，但成本方面则会相对增加，因为要达到这个效果，不能再采用二极体整流器，则须改用同步整流器。

结论

乙太网馈电网电源供应系统除了必须符合IEEE802.3af的技术标准之外，售价也必须大众化，而功率转换效率也须较高。若要满足低成本及高效率的要求，采用连续导电模式驰回转换器组构电源供应器是最理想的方案，且这种转换器积体整合电路除了具备802.3af所规定的所有功能之外，还同时可支援脉冲宽度调变控制功能。

（作者为NS美国国家半导体资深应用技术工程师）

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