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建置乙太網路供電的VoIP架構
 

【作者: Jacob Herbold、Todd Nelson】   2006年05月02日 星期二

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透過乙太網路來供電(PoE)的建置,即使在電源短暫停止的片刻,IP電話還是必須提供服務。介入整個企業環境內安裝VoIP電話的決定,是POTS無中斷服務的特點,然而,IP電話的供電也帶來了一些重要的挑戰。針對乙太網路供電的 IEEE 802.3af 標準,開創乙太網路的新興應用,即在保有10/100/1000Mbps 資料傳輸速率之下同時傳遞DC電源。PoE為自身帶來了一些問題以及一些對於設計乙太網路設備有經驗的工程師可能會感覺較不同的新思維。


PoE連結允許供電裝置(PSE)提供高達12.95W之電力給受電裝置(PD),例如一個VoIP電話。PoE連結或傳輸埠受控PSE,而PSE在供電與監視傳輸埠(ICUT, ILIM以及斷開)之前,透過偵測與分級來辨識PD,PoE大部分的負擔是在PSE上,它必須執行偵測與無失誤斷開連線,否則傳統式裝置將受到損傷。因為此兩類型裝置必須互相合作,PD與PSE設計者應該從這兩個裝置的觀點,考量以下的議題。PD與PSE界面控制器IC並非都做成一樣,即使如此最終晶片也不能處理基版與系統層級的問題。


偵測

偵測可避免傳統設備受到PoE的48V輸出而損壞,並且也是建立PoE連線的主要步驟,PSE控制器IC偵測電路不應該被誤導入利用雜訊、偏移、鬆接連線或複數阻抗來發現PD,容忍與排斥外來雜訊是重要關鍵,因為25k?電阻是經由長達100m的電纜所測得,而沒有一般對絞線所具有抵抗共模雜訊的優點,當電感性耦合進入電纜時,將造成的雜訊振幅逼近測量信號的位準。


分級與電源配置

在分級時,PSE必須維持一個介於15.5V到20.5V的輸出,如此才可測量出PD的分級簽署,而決定PD所需功率。一個不良的分級測量或一個錯誤的電源配置架構可導致PSE過載,進而使整個PoE網路停擺。


一些PSE控制器重新採用MOSFET,而MOSFET會在一個低壓差(Low Drop Out,LDO)的組態下將電源切入連接埠,將PSE的48V供電穩定地調節成分級電壓。分級是一個獨特而巧妙的LDO電路,具穩壓作用,因為乙太電纜會在LDO與負載間嵌入電感;此外,旁路電容必須小於0.52μF。當一個PSE控制器IC採用此方法,系統設計者必須非常小心地遵照IC供應商的建議,但如此仍不能確保穩定性。


802.3af標準要求PD在汲取電流時,只須滿足5等級中的一種。PD也須汲取非常小的電流,直到連結埠電壓達到14.5V至20.5V的分級範圍內,當到達此點,PD可打開開關並隨即將連接埠電流增加至高達44mA(class 4)。此負載增加過程可能造成埠電壓過調而超出分級範圍—甚至可達 48V—所以PD會關掉此時的電流直到PSE將輸出拉回到可控制情況,之後再次開始循環進行。PD設計者在PD請求其分級電流時,應該限制電流增加率。具有如(圖一)所示的I-V特徵之PD會有較溫和的行為。IEEE標準將所有分級穩定性的責任全部託付給PSE,PSE設計者必須接受委託而且確保不論PD的行為為何,PSE皆能提供穩定輸出。



《圖一 一個可兼容PD的I–V 曲線》
《圖一 一個可兼容PD的I–V 曲線》

<陰影區域指示了IEEE所定義偵測、分級與啟動之界線和作者所建議之限制。>


除了迴轉率或di/dt,當PD開啟其分級電流,PD之I-V曲線上的大多數區域都是未規範的,就像那些顯示於圖一中所隱示的界限。標準並沒有談到介於偵測(10.1V)與分級(14.5V)之間、以及分級(20.5V)與啟動(30V)之間的PD電流。一個技術上兼容的PD在這些範圍下可不汲取任何電流,而有一些PD控制器IC在這些範圍下則汲取非常少的電流,這會產生互操作性問題的風險。假設連接埠的電壓接近48V,因為電源剛被關掉,而PSE又不需主動地為連接埠放電,則在高於30V的情況下,PD啟動且其負載電路將快速地將連接埠放電至30V。達30V後,PD必須關閉。如果PD不須連續汲取一些電流,埠電壓會維持在30V,可防止PD被反覆偵測。在這兩種位定義的區間,建議PD應該約略保持在此類限制內。


分級是可選擇的。在對PD供電之前,PSE不須針對其進行分級;且class 0允許PD不須參與分級。然而,客戶將期望分級的存在,因未分級的裝置將形成電力的浪費,進而浪費金錢。分級提供三個功率級距,在相對應級距內的PD必須保證不會越級。


雖然分級可讓PSE之可用電力獲得較好的利用,802.3af標準仍然重視可靠度超過效率。PSE不能使其自身過載,為達此目的,標準要求一個電源計算與保存架構,稱為電源配置,其可當作預防過載的主要方法。當PSE供電到PD,不論PSE的其它埠上發生什麼事,該電力皆可獲得保障。對所有由PSE供電的PD,PSE保存分級適當的電力,並維持總保存電力在其電源供應的能力範圍內,因此PSE總是有足夠的電力以滿足PD需求。


供電

啟動電源是PD設計的一個真實測試,因為PD必須防止埠電壓產生震盪。當埠電壓介於30V和40V之間時,PD必須啟動,此即意謂將一個大型輸入旁路電容接入埠中。大電容與PSE電流限制的結合,導致埠電壓可降至低於30V,甚至可達0V,如果因為埠電壓下降而導致PD關閉,PD將在開啟與關閉間開始跳動。PD設計可藉由不對其電流設限使埠電壓保持在供電範圍,從而防護電動板效應發生,亦或PD可允許電壓下降,但其啟動狀態必須被維持在一定時間內,不管埠電壓情況為何。大多數市面上所見的PoE PD控制器,使用一種結合電流限制與分隔PD啟動電壓和其關閉電壓的作法,例如,Linear Technology的LTC4257實現比PSE的400mA至450mA輸出更低的350mA(典型值)電流限制,且在啟動與關閉的轉換間具有9V的遲滯。電流限制防止埠電壓下降過大,而遲滯確保PD在遭受小幅壓降時,可保持在啟動狀態。


對於PSE而言,供電到一個埠,測試其用於控制埠電流之MOSFET對於處理電源的能力。此MOSFET所花費較多的時間,若非在導通狀態,就是在斷開狀態,且功率消耗極小,甚至是零,因此吸引著設計者選擇較小元件。然而,就在MOSFET限制埠電流的50ms到75ms間,功率消耗可高達25.7W。有些PSE利用放置多顆MOSFET於相同封裝則將此問題變的更為嚴重。以迴路失調方式解決此問題將導致在每一個埠啟動間產生一分鐘、或更久且惱人的冷卻延遲,PSE可以使用返送迴路以減少MOSFET的發熱情況,當埠電壓低於30V時,802.3af標準允許埠電流限制可低至60mA,如(圖二)所示。如此當連接埠於0V時,可削減MOSFET的功率至3.4W、或當連接埠於30V時達12.2W,所以PSE可使用小型,較便宜的MOSFET。


《圖二 PSE返送曲線的例子與802.3af 返送限制》
《圖二 PSE返送曲線的例子與802.3af 返送限制》

斷電

偵測PD的移除與關閉電源,在IEEE稱為斷線,此部分與決定要供電同等重要。不論哪一種情況,所造成的錯誤結果是一樣的:亦即損壞設備。DC斷線,其依賴測量埠電流以判斷PD的持續存在。AC斷線以低頻AC測量埠阻抗以偵測PD的存在,AC斷線必須偵測在乙太網路遠端的PD阻抗,還需同時提供一個穩定輸出電壓以對PD供電。PSE設計者利用置入一個串聯於PSE輸出的二極體,來操縱這些互相矛盾的約束。如果AC斷線電路沒有適當地設計,μA位準的漏電流已足夠啟動此埠。


PD應該配備暫態抑制器,因為在啟動與關閉時也會遭受高電壓,即使已有保護,有些PD介面IC會因連續性地電纜插拔而受損。


結論

無縫式企業VoIP服務伴隨著乙太網路傳輸語音與資料以外的課題,偵測電話與PC之間的差異、配置電源與處理錯誤都是類比設計問題。兼容於IEEE 802.3af還不足以確保高可靠性,密切地注意主要問題,方能實現內建高度服務品質相依的網路。(作者任職於Linear Technology凌特科技)


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