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为何设计乙太网路供电需要MCU?
 

【作者: 吳旻翰】2024年08月28日 星期三

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乙太网路供电(Power over Ethernet,PoE)发展至今已超过20年,PoE的供电设备PSE(Power Sourcing Equipment)最广的应用就是乙太网交换机。市面上乙太网交换机常见的是4的倍数(4/8/12/24/48)RJ45埠支援PoE供电输出。而目前Microchip与市面上其他半导体方案厂商所提供的供电设备IC方案,单颗PSE manager IC都只做到最多控制8 个RJ45埠 PoE,这里的8 个RJ45埠是指2-pair 的供电架构。


如图(1)所示,2-pair的供电架构是只利用红线部分供电,或者只利用蓝线部分供电,4-pair 的供电架构则是利用红线+蓝线都供电。



Microchip 第7代供电设备PSE Manager IC方案料号是:PD77728,它可以设计成支援8 个 RJ45埠2-pair的供电架构,或者设计成支援4 个 RJ45埠4-pair的供电架构。搭配PD77728的MCU又称为PoE Controller,料号是:PD77020。


以图(2)所示举例, 如果一台48个RJ45埠乙太网交换机,其中12个RJ45埠要支援4-pair的供电架构,那设计上就需要3颗PD77728加上1颗PD77020。



回到主题,为何设计乙太网路供电需要MCU?原因是PSE Manager IC 基於成本考量,IC设计不可能把一颗高规格的MCU集成进去,让每一颗PSE manager IC都有能力做为Host 去跟所有Slave PSE Manager IC 即时沟通与收集供电状况资料,然後做运算。


因此,一个PoE供电设备系统是需要多颗PSE manager 组成时,必须要有1颗外部独立的MCU做为Host ,与所有Slave PSE Manager IC进行沟通与控制。MCU 的主要功能如下:


●系统电源管理与RJ45埠供电优先权设定


能提供大功率输出的电源供应器,其成本往往很高。 一台乙太网交换机会搭配的电源供应器通常不足以支援全部PoE RJ45埠满载输出,所以系统电源管理的作用就是在收集全部PoE RJ45埠供电功率, 然後做即时加总运算。当加总功率超过电源供应器预算时, MCU就会立即把供电优先权最低的RJ45埠断电。所以供电优先权的定义是:加总功率超过电源供应器预算时,RJ45埠断电的优先顺序。


●RJ45埠Mapping 设定(或称Port Matrix)


硬体工程师在进行实际电路板布线设计时,有可能遭遇PSE Manager IC 本身控制RJ45埠顺序Pinout 无法顺着机器本身定义的Front埠顺序去布线走trace。 举例来说,PD77728 规格书定义的第1埠控制Pinout,连接到机器定义的Front埠顺序却是第8埠,这时就需要有埠Mapping的功能,这样软体在运算与做出相对反应时才不会搞混哪一埠是哪一埠。


●支援LED stream


如图(3)所示RJ45埠常常会设计LED 来显示现在PoE有无供电, 或闪烁来表示有异常状况。如果PSE Manager IC设计时多出8根Pins用来驱动8颗LEDs,可能选用的IC封装尺寸就要变大,意味成本变高。把驱动LEDs的部分移到MCU做成Data Stream 的方式,可以节省IC成本,又可以一次支援到驱动48埠LEDs, 甚至可以驱动双色LEDs。如图(4)所示 MCU PD77020透过4根pins 就可送出Clock/Data/Enable/Chip select 讯号,再利用移位寄存器IC就可以解码Data来驱动最多48埠LEDs。




●提供详尽的状态


透过MCU,把详尽的整个PoE 系统即时状态、 每一颗PSE Manager IC即时状态,以及每一单一埠的即时状态 都建立在MCU韧体里。Host 软体可以透过指令读取想知道的状态, 软体进而可以做相对应处置、判断,或者显示。


举例这些状态如:单一埠透过2-pair或4-pair供电、单一埠侦测到没有连接任何PD、单一埠侦测到连接到非IEEE标准PD、单一埠被断电因为系统加总功率瓦特数超过电源供应器预算,单一埠被断电因为单一埠超过额定功率,等等。


●可更新韧体


如果不幸发现销售出去的机器有 PoE 功能方面软体错误或者必须增加特定功能时,大量召回机器是一笔大成本, MCU 可以透过Host 软体更新MCU韧体。


Microchip PoE Controller能支援的功能众多,在此无法详尽列出,可叁阅Microchip网站规格书(https://www.microchip.com/en-us/products/power-over-ethernet)。


本文作者为:Microchip应用工程师经理 吴毖翰


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