基于POE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端電源接口模塊設(shè)計

丁倩雯

摘要：該文設(shè)計了一種基于POE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端電源接口模塊，該模塊的核心器件為POE電源管理芯片，通過該芯片及其配套電路完成PD受電端設(shè)備檢測、分級和電壓適配功能，從RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口獲取48V直流電源，經(jīng)過降壓后為物聯(lián)網(wǎng)終端提供穩(wěn)定的5V電源。該接口模塊使得物聯(lián)網(wǎng)終端直接從以太網(wǎng)獲得電源和傳輸數(shù)據(jù)，從而在安裝時不需要單獨布電源線，安裝更為方便安全，節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞：POE；電源接口；PD檢測；降壓

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）06-0029-02

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類網(wǎng)絡(luò)終端在人們的日常生活中占據(jù)了越來越重要的地位。例如人口數(shù)量較密集的公司或高校等單位已經(jīng)開始逐步采用聯(lián)網(wǎng)的考勤裝置，考勤終端數(shù)量多、分布廣，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)考勤設(shè)備幾乎都是通過RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口上傳數(shù)據(jù)，另外還需要單獨的直流電源接口，這就導(dǎo)致安裝設(shè)備時不僅要進行網(wǎng)線的布局還需要單獨布電源線，造成了安裝成本的增加，并帶來了漏電的風(fēng)險。由于社會經(jīng)濟和信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，出于安全以及智能化管理的目的，各行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的需求量猛增。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的全天候運行需要保障不間斷的平穩(wěn)電力。而在安裝過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)實際施工與設(shè)計略有偏差，無法保障穩(wěn)定電源，不得不重新設(shè)計攝像頭的安裝地點的情況。而重新選擇的安裝地點可能會導(dǎo)致出現(xiàn)監(jiān)控死角，使安防監(jiān)控的整體布局失去意義。要想使網(wǎng)絡(luò)攝像機在預(yù)計地點正確安裝，就要讓網(wǎng)絡(luò)攝像機的供電不再是安裝的瓶頸。

POE（以太網(wǎng)供電）技術(shù)利用現(xiàn)有以太網(wǎng)布線的基礎(chǔ)架構(gòu)，在不做任何改動就能保證為一些基于IP的終端傳輸數(shù)據(jù)的同時，還能為其提供直流電源。POE技術(shù)利用一條通用以太網(wǎng)電纜同時傳輸數(shù)據(jù)信號和直流電源信號，將電源和數(shù)據(jù)集成在同一有線系統(tǒng)中。而目前的以太網(wǎng)接口中共有4對線纜，其中兩對用來傳輸數(shù)據(jù)，另外的兩對處于空閑狀態(tài)。如果能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)線纜同時傳輸數(shù)據(jù)和直流電源，將會使網(wǎng)絡(luò)終端的布局?jǐn)[脫電源的束縛，系統(tǒng)設(shè)計和將更為經(jīng)濟和簡便。

2 電源接口模塊設(shè)計

一個完整的POE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備（PSE， Power Sourcing Equipment）和受電端設(shè)備（PD， Power Device）兩部分。PSE設(shè)備是整個POE以太網(wǎng)供電過程的管理者，不僅為網(wǎng)絡(luò)終端提供穩(wěn)定電源，還要對供電過程進行智能化管理和控制。而PD設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)從PSE獲取電源。在PSE和PD之間實現(xiàn)POE供電要經(jīng)過如下四個步驟：

1）檢測：首先PSE設(shè)備在端口嘗試輸出一個小電壓，檢測其線纜連接網(wǎng)絡(luò)中是否有符合要求的受電終端，該終端需要符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)中存在受電端設(shè)備PD之后，PSE設(shè)備會通過測定分級電阻的方式為PD設(shè)備進行分類，并且計算此受電終端的功率損耗。PD受電終端設(shè)備的功率分級參見表1。

2）開始供電：檢測并分級的過程執(zhí)行完畢后，PSE設(shè)備從低電壓向PD設(shè)備供電，這一啟動期需要大約15μs，直至提供的直流電源達到48V。

3）供電：由PSE按照IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)為PD設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的48V直流電，并滿足設(shè)備不超過15.4W的功率消耗。

4）斷電：若PD設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上斷開時，PSE在300～400ms之內(nèi)停止為PD設(shè)備供電，并重復(fù)執(zhí)行第一階段的檢測過程以確定連接網(wǎng)絡(luò)中是否還有符合標(biāo)準(zhǔn)的受電終端存在。

因此，PD端設(shè)備需要有POE電源接口模塊來配合PSE設(shè)備完成以上四個步驟。

電源接口模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該模塊的主要功能為完成PD設(shè)備的檢測和分級反饋，并進行DC-DC電壓變換，以適應(yīng)PD設(shè)備的實際用電需求。該電路中采用了無錫新硅微電子技術(shù)有限公司自主研發(fā)的POE電源管理芯片WS3201。該芯片兼容IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，包括檢測和分級模式，具備溫度補償和電流限制功能。在瞬態(tài)過載情況下，內(nèi)部熱保護設(shè)計能有效起到保護作用。WS3201的DET引腳引出PSE設(shè)備檢測PD設(shè)備的檢測電阻，阻值為24.9kΩ。對于以太網(wǎng)供電來說，第一步PSE檢測是否存在符合標(biāo)準(zhǔn)的PD設(shè)備是其非常關(guān)鍵的一個步驟，通過檢測能夠保證網(wǎng)絡(luò)電壓值只加在需要供電的PD上。另外，該檢測過程必須在500ms內(nèi)完成，如果PSE等待時間太長也同樣會損壞連接在PD位置上不需要供電的以太網(wǎng)設(shè)備。在PSE成功檢測到需要供電的設(shè)備后，就要對PD進行分級操作，確定設(shè)備需要的功率。模塊中CLASS引腳外接的就是PD設(shè)備的分級電阻，如表1所示，802.3af 標(biāo)準(zhǔn)將PD設(shè)備分為5個等級，每個等級對應(yīng) PD設(shè)備的一個功率范圍，功率范圍從0到 12.95w， 這個電阻的阻值可以根據(jù)后級設(shè)備所需的功率值來確定。在對設(shè)備進行分級的過程中，PSE首先對受電PD設(shè)備輸出一個15～20V的小電壓，通過測量網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的電流大小來確定PD的級別。在這個階段，PD的電源部分將被欠壓鎖定（UVL0）電路維持在無源狀態(tài)直至分級完成。

MP6001是單片DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，該芯片包括一個150V電源開關(guān)，并且能夠提供高達15W輸出功率。通過調(diào)整與MP6001配套的變壓器以及電阻分壓電路的參數(shù)，可以獲得匹配PD終端的直流電壓，一般為5～12V。

經(jīng)過應(yīng)用測試，該接口電路只需要通過RJ45接口與PSE端正確連接，就可以獲得穩(wěn)定的5V電源，為IP電話提供了正常工作所需要的電源和數(shù)據(jù)傳輸通道。

3 總結(jié)

本文提出了一種基于POE技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端電源接口模塊的設(shè)計，可與現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)終端電路進行集成，具有較強的實用價值，采用POE供電后，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中終端設(shè)備的電源設(shè)計變得更簡單，終端的位置不受電源的限制，所以終端節(jié)點的分布更靈活多樣，同時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和擴展性都得到了提升。