利用LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)微波通信設(shè)備的拉遠(yuǎn)供電

黃付慶，趙憲臣，徐曉明

（1.總參信息化部駐濟(jì)南地區(qū)軍代室 山東 濟(jì)南 250101；2.山東泉清通信有限責(zé)任公司 山東 濟(jì)南 250101）

利用LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)微波通信設(shè)備的拉遠(yuǎn)供電

黃付慶1，趙憲臣2，徐曉明2

（1.總參信息化部駐濟(jì)南地區(qū)軍代室 山東 濟(jì)南 250101；2.山東泉清通信有限責(zé)任公司 山東 濟(jì)南 250101）

針對(duì)微波通信技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種采用數(shù)字基帶拉遠(yuǎn)技術(shù)的微波通信設(shè)備，該設(shè)備是3G、4G網(wǎng)絡(luò)微基站技術(shù)在特定應(yīng)用場(chǎng)景的進(jìn)化。在設(shè)備基礎(chǔ)上論述了LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)PoE標(biāo)準(zhǔn)的差異，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)的拉遠(yuǎn)供電方案。設(shè)計(jì)采用Linear公司的以太網(wǎng)受電設(shè)備 （PD）控制器LT4275A和以太網(wǎng)供電設(shè)備（PSE）控制器LTC4266，共同組成穩(wěn)定可靠的供電電路，以滿足微波通信設(shè)備的拉遠(yuǎn)供電要求。實(shí)際工程應(yīng)用表明：該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效，可滿足不大于90 W的微波設(shè)備室外單元（類(lèi)似微基站）的供電要求，提高了微波設(shè)備供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，具有較高的推廣價(jià)值。

LTPoE++；基帶拉遠(yuǎn)；以太網(wǎng)供電；LT4275A；LTC4266

基帶數(shù)字拉遠(yuǎn)技術(shù)是當(dāng)前熱門(mén)的技術(shù)，在3G、4G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字微波設(shè)備中有大量實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)傳輸距離和應(yīng)用場(chǎng)景的不同，傳輸介質(zhì)可以是光纖或超五類(lèi)線，這與同軸饋線相比節(jié)約了成本、降低了損耗，更重要的是室外單元可以依據(jù)環(huán)境要求更靈活的布放。但隨之而來(lái)的就是室外單元的供電問(wèn)題，傳統(tǒng)的供電方案主要有3種：一是光電復(fù)合纜，二是復(fù)合超五類(lèi)線，三是標(biāo)準(zhǔn)超五類(lèi)線配合PoE技術(shù)。橫向比較3種方案，均存在一定的缺陷：方案一，成本高，應(yīng)用場(chǎng)景受限；方案二，線纜整體的重量大，不易部署；方案三，提供的功率太低（最大25.5 W），無(wú)法滿足功耗較大的應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種適用于微波通信設(shè)備的拉遠(yuǎn)供電方案，采用千兆以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，配合LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)在傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線上同時(shí)對(duì)室外單元提供直流供電，最大功率可達(dá)90 W，精簡(jiǎn)了供電單元的設(shè)計(jì)，降低了設(shè)備成本。文章所提出的原理和方法都已通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，具有較高的推廣價(jià)值。

1 LTPoE++與PoE標(biāo)準(zhǔn)分析

1.1 PoE標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

為擺脫在一些特定應(yīng)用場(chǎng)景單獨(dú)配備外置電源的不便，IEEE在2003年發(fā)布了802.3af標(biāo)準(zhǔn)（即PoE標(biāo)準(zhǔn)），該標(biāo)準(zhǔn)允許通過(guò)一根以太網(wǎng)電纜為遠(yuǎn)端設(shè)備供電，允許最大功率被限制在12.95 W。IEEE在2009年又通過(guò)了802.3at標(biāo)準(zhǔn)（即PoE+標(biāo)準(zhǔn)），將功率上限擴(kuò)展到25 W［1］。

802.3at采用了更加詳盡的硬件分級(jí)機(jī)制，使PSE設(shè)備（供電設(shè)備）和PD設(shè)備 （受電設(shè)備）能夠相互識(shí)別。另外，802.3at還定義了一個(gè)新的數(shù)據(jù)層分級(jí)，采用LLDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PSE和PD的交互，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功率動(dòng)態(tài)調(diào)整［2］。

1.2 LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

LTPoE++是Linear公司在2011年發(fā)布的專(zhuān)有標(biāo)準(zhǔn)，在原有PoE和PoE+標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上將功率擴(kuò)展了4個(gè)等級(jí)，最高可達(dá)90 W。LTPoE++允許使用外置FET器件使散熱性能大幅提升，并提高了電源效率。基于此整個(gè)架構(gòu)中只需要一個(gè)PSE設(shè)備配合一個(gè)PD設(shè)備，就能夠通過(guò)一根百米CAT-5e電纜提供高達(dá)90 W的功率［3］。

LTPoE++采用3類(lèi)事件分級(jí)機(jī)制完成PSE和PD之間的識(shí)別交互，通過(guò)PD設(shè)備對(duì)3類(lèi)事件分級(jí)機(jī)制的響應(yīng)，PSE設(shè)備識(shí)別 PD設(shè)備是 I類(lèi) （PoE）、II類(lèi) （PoE+），還是 III類(lèi)（LTPoE++）。LTPoE++另外一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于軟件級(jí)功率協(xié)商機(jī)制的完善，傳統(tǒng)的LLDP協(xié)議要求擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)堆棧，需要較大的軟件開(kāi)發(fā)工作量，而LTPoE++允許將LLDP協(xié)議設(shè)定為可選項(xiàng)。在特定場(chǎng)景的應(yīng)用中，如微波設(shè)備室內(nèi)外單元這類(lèi)專(zhuān)用的端到端的應(yīng)用就可以放棄對(duì)LLDP協(xié)議的支持，這帶來(lái)了產(chǎn)品研制周期的縮短和BOM成本的降低。PoE、PoE+和LTPoE++的參數(shù)對(duì)照表如表1所示。

2 方案設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上有多家芯片廠商能夠提供符合PoE（+）標(biāo)準(zhǔn)的PSE和PD器件。比如TI公司、Maxim公司都有多款產(chǎn)品可供選擇。但符合微波通信設(shè)備拉遠(yuǎn)供電高功率要求的，目前市面上就只有Linear公司基于LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)的PD控制器LT4275A和PSE控制器LTC4266。如圖1所示為微波設(shè)備室內(nèi)外通信的完整框圖，總體分為室內(nèi)單元和室外單元兩大部分。室內(nèi)單元主要由接口及復(fù)分接模塊、基帶近端模塊、基帶接口模塊和PSE模塊組成，室外單元主要由基帶接口模塊、基帶遠(yuǎn)端模塊、中頻模塊、設(shè)備模塊、天線和PD模塊組成。室內(nèi)單元和室外單元通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CAT-5e線纜連接，使用全部的4對(duì)線纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電源，其中數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式，電源為48 V直流供電，千兆以太網(wǎng)配合LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)共同完成微波通信設(shè)備的基帶數(shù)字拉遠(yuǎn)設(shè)計(jì)［4］。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)照表Tab.1 The standard parameter table

圖1 LTPoE++拉遠(yuǎn)供電總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of LTPoE++

2.1 PSE模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，PoE供電需要經(jīng)過(guò)完整一套檢測(cè)和分級(jí)動(dòng)作，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)PSE控制器主要完成檢測(cè)、分級(jí)、電源的管理和控制功能［5］。PSE的檢測(cè)電路不能因輕微外部條件的變化（如相位偏移、噪聲或連接松動(dòng)等）影響探測(cè)PD。PSE工作時(shí)首先探測(cè)在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的的用電設(shè)備，根據(jù)協(xié)議規(guī)定對(duì)該設(shè)備進(jìn)行分級(jí)，之后就可以對(duì)PD進(jìn)行供電，同時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)。本文的設(shè)計(jì)是典型的系統(tǒng)內(nèi)部端到端的應(yīng)用，可以取消對(duì)LLDP協(xié)議的支持，在一定程度上降低設(shè)計(jì)的工作量［6］。

設(shè)計(jì)中PSE控制器芯片選用Linear公司的LTC4266，其性能特點(diǎn)如下：

1）具備4個(gè)獨(dú)立的PSE通道，總共能夠提供最高達(dá)90 W 的LTPoE++電源；

2）提供用電設(shè)備探測(cè)、分級(jí)、限流以及負(fù)載斷開(kāi)的檢測(cè)功能；

3）既可以通過(guò)外部硬件配置獨(dú)立工作，也可以通過(guò)I2C接口進(jìn)行軟件控制；

4）具備AUTO、Semi-auto、Manual、Shutdown等4種工作模式；

5）支持2線對(duì)和4線對(duì)輸出功率。

在本設(shè)計(jì)中為了節(jié)省成本、降低設(shè)計(jì)工作量，采用AUTO工作模式和4對(duì)線輸出功率模式，LTC4266的原理設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，芯片的詳細(xì)資料，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)［7］。

2.2 PD模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中PD控制器芯片選用Linear公司的LT4275A，其電路原理框圖如圖 3所示。LT4275A采用了專(zhuān)有的LTPoE++分級(jí)方案，可在網(wǎng)絡(luò)上提供38.7 W、52.7 W、70 W或90 W等功率級(jí)別。LT4275A的內(nèi)部充電泵提供了一種N溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)方案，替代了傳統(tǒng)的較大且更加昂貴的P溝道MOSFET，大幅降低了總的PD熱量，并最大限度地提高了電源效率，這在高功率級(jí)別應(yīng)用時(shí)尤為重要。LT4275A具有一種熱保護(hù)功能，可避免其自身出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。如果結(jié)溫超過(guò)了過(guò)溫門(mén)限，則將HSGATE和PWRGD引腳電平拉低，并暫停分級(jí)功能。

圖2 LTC4266原理框圖Fig.2 Block diagram of LTC4266

圖3 LT4275A原理框圖Fig.3 Block diagram of LT4275A

LT4275A可利用分級(jí)電阻器（RCLS和RCLS++）的不同配置以支持所有可能的PoE、PoE+和LTPoE++功率級(jí)別，從表 2中選擇RCLS和RCLS++阻值，并把連接到RCLASS、RCLASS++引腳和GND之間，注意電阻的誤差范圍必須控制在1%以內(nèi)，以免影響分級(jí)電路的精確度。在分級(jí)模式下，PSE根據(jù)PD所消耗的功率對(duì)PD進(jìn)行分級(jí)，有效管理功率的分配，芯片功能的詳細(xì)資料，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)［8］。

3 設(shè)計(jì)中的問(wèn)題分析

表2 分級(jí)代碼、功率級(jí)別和電阻器選擇表Tab.2 Classification codes，power levels and resistor selection

遵循LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)的微波設(shè)備拉遠(yuǎn)供電技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際工程中得到大量應(yīng)用，經(jīng)過(guò)測(cè)試，整體供電穩(wěn)定、可靠性高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足微波設(shè)備拉遠(yuǎn)供電的整體設(shè)計(jì)要求。在研制和調(diào)試階段也暴露出一些問(wèn)題，主要總結(jié)為以下注意事項(xiàng)。

3.1 元件布局問(wèn)題

為避免在RCLASS和RCLASS++引腳上產(chǎn)生過(guò)大的寄生電容而影響分級(jí)準(zhǔn)確度，必須確保將電阻器RCLS和RCLS++放置在盡量靠近LT4275A芯片的位置，建議距離不超過(guò)300 mil。

3.2 接口保護(hù)問(wèn)題

LT4275A規(guī)定的絕對(duì)最大電壓為100 V，并專(zhuān)為耐受短暫的過(guò)壓進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是與外界相連的那些管腳難免會(huì)遭受過(guò)高峰值電壓的沖擊。為保護(hù)芯片，必須在端口電壓與地之間放置一個(gè)TVS瞬態(tài)電壓抑制管，并且安裝在盡量靠近 LT4275A的位置，推薦 TVS瞬態(tài)電壓抑制管型號(hào)為SMAJ58A。

3.3 熱設(shè)計(jì)問(wèn)題

本設(shè)計(jì)的功率高達(dá)90 W，需要考慮增加散熱，如加大PAD的面積，電源部分走線的加寬并單獨(dú)分層，使用特殊的外置MOSFET加速散熱。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于LTPoE++標(biāo)準(zhǔn)的微波通信設(shè)備拉遠(yuǎn)供電設(shè)計(jì)方案，采用千兆以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)在信號(hào)線上對(duì)室外單元提供直流供電，最大功率達(dá)90 W，完全達(dá)到微波通信設(shè)備拉遠(yuǎn)供電的設(shè)計(jì)要求。方案已經(jīng)在多個(gè)微波通信產(chǎn)品中得到應(yīng)用，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的方案有以下2個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

1）傳輸數(shù)據(jù)采用符合IEEE802.3協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，接口標(biāo)準(zhǔn)、可靠；

2）采用標(biāo)準(zhǔn)CAT-5e電纜，同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電源，避免了傳統(tǒng)饋線需要數(shù)據(jù)線、電源線分離的不便，大大降低了系統(tǒng)成本和設(shè)備開(kāi)通的難度。

［1］IEEE 802.3af.Data terminal equipment（DTE）power via media dependant interface（MDI）［S］.New York:IEEE Computer Society，June，2003.

［2］華為技術(shù)有限公司.PoE技術(shù)白皮書(shū)［EB/OL］（2007-10-08）［2015-04-01］.http://www.huawei.com/cn/products/datacomm/ pdf/view.do？f=267.

［3］劉佳，黃華.兼容IEEE802.3af的高功率以太網(wǎng)供電PD端設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（5）:160-162，164.

［4］徐曉明，趙清瀟.基于千兆以太網(wǎng)的基帶光纖拉遠(yuǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（6）:113-115.

［5］劉凱，張立民，張兵強(qiáng).PoE技術(shù)在座艙分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（11）:37-40.

［6］丁丁，黃成軍，沈昊.以太網(wǎng)供電技術(shù)研究［J］.自動(dòng)儀表，2005，26（1）:5-8.

［7］Linear，Tecnology，Corporaion.LTC4266 LTPoE++PSE Controller［EB/OL］.（2009-06-06）［2015-04-01］.http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/4266fe.pdf.

［8］Linear，Technology，Corporation.LT4275A IEEE 802.3 and LTPoE++powered device（PD）controllers［EB/OL］.（2012-02-08）［2015-04-01］.http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/ 4275f.pdf.

Realization of digital microwave communication equipment based on LTPoE++standard remote power supply

HUANG Fu-qing1，ZHAO Xian-chen2，XU Xiao-ming2
（1.Military Representative Office in Ji'nan，Jinan 250101，China；2.Quan Qing Shandong Communication Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

According to the characteristics of microwave communication technology，the design of a microwave communication device with digital baseband，the device is a 3G，4G micro base station network technology in the specific application scenario evolution.The devices based on the LTPoE++standard and discusses the difference between the traditional PoE standard，proposes and implements a remote power supply scheme based on LTPoE++standard drawing.The design uses Linear's Ethernet power device（PD）controller LT4275A and Ethernet controller LTC4266 power supply equipment（PSE），composed of power supply circuit is stable and reliable，in order to meet the needs of microwave communication equipment remote power supply requirements.Application results show that the design is simple and efficient，which can meet the microwave equipment outdoor unit is not more than 90 W （similar to the micro base station power supply requirements）to improve the reliability and economy of power supply system of microwave equipment，has higher application value.

LTPoE++；baseband pulls distant；power on ethernet；LT4275A；LTC4266

TN925＋.91

A

1674－6236（2016）04-0140-04

2015-04-10 稿件編號(hào)：201504105

黃付慶（1983—），男，山東聊城人，碩士，工程師。研究方向：微波通信，衛(wèi)星通信。