辅助电源对以太网供电(PoE)应用的扩展

以太网供电(PoE)技术已经在语音IP(VoIP)电话、无线路由器以及安保设备等上百种应用中大显身手。许多PoE应用使用了辅助电源，例如，受电设备(PD)端的交流壁式电源和供电设备(PSE)端的不间断电源(UPS)。集成辅助电源是一项极具挑战性的设计工作，PoE设计者必须要理解不同的方法,并在它们之间作出折衷。
在PoE系统中加入辅助电源通常有三种配置方式：通过受电设备前端热插拔部分；直连到受电设备的电源控制器输入端；直连到受电设备的电源隔离输出电压。
在第一种配置方式中，电源能复接到受电设备的前端并通过热插拔部分进行传递。这种方式有时也称作前端辅助供电，如图1所示。

图1 前端辅助供电

由于电能通过受电设备的PoE接口控制器传递，所以前端辅助供电具有热插拔保护优势。如果前端辅助供电的电压低于正常的PoE电压，先供电的电源输出就会出现不确定状态。这是因为在PoE之前加入辅助电源将使供电设备丧失PSE能力，因而无法检测到受电设备的签名电阻；而且无论什么时候使用辅助电源都会出现这种问题。但是，如果先给PoE供电，辅助电源的低电压将受到反偏的功率二极管抑制。低电压前端辅助供电的另一个缺点是拽取功率限制。热插拔限流功能对拽取辅助电源电流进行限制的时候，会发生这种情况。
如果前端辅助供电的电压大于或等于PoE电压，情况就更复杂了，这是由于两个电源将共享受电设备的负载，与它们的稳压电压成正比，与它们的输出阻抗成反比。当使用高压辅助电源时，情况将更为复杂，因为它为控制器引入一种新的热插拔情况。由于MOSFET对电源的输入电容充电，受电设备控制器输入电压的突然增长将使热插拔晶体管进入限流状态。这种情况将使系统暂时偏离输入“电源良好”状态，为了持续供电，必须将这种情况去除。热插拔控制器的电流限制应该高于输出到负载上的直流电流。如果直流电流限制设置得过低，热插拔控制器在差错出现前，将无法提供足够的多余电流来对负载电容充电。　
断电过程必须经过仔细地考虑。如果PoE电源断开，即前端辅助电源先工作，若断开辅助电源，供电将无法继续，这是因为在供电设备检测到一个合法的签名并继续供电之前，模块的电容上的电荷必须被完全释放掉。如果前端辅助供电能够正常工作，那么无论PoE电源在什么时候断开，都可以持续供电。
前端辅助供电的应用可能是一个十分困难的问题。如果辅助电源直接连接到模块的电源部分(也称作后端辅助供电)，如图2所示，问题的复杂程度将大为降低。

如果后端辅助电源首先为模块供电，那么它也将占据支配地位，这是因为它可以将输入二极管桥反偏，并阻止供电设备检测合法签名。根据选择不同的受电设备控制器IC，用户可以在后端辅助供电应用中禁用PoE接口。禁用PoE而使用辅助电源供电的配置方式称为“辅助支配”。辅助支配方式将禁用热插拔控制器的功率MOSFET开关，从而禁止PoE供电。如果供电设备检测出符合IEEE 802.3标准的直流保持电源签名，供电设备将认为受电设备将要断电并关断PoE电源。这是后端辅助供电的一个主要优点，因为它移除了供电设备电源，从而将电能分配到其他端口。
如果后端辅助供电配置为非支配模式，且PoE电源先工作，那么辅助电源在PoE断开之前将不会供电。和前端辅助供电相同，只要后端辅助电源继续工作，就可以支配模式或非支配模式持续供电。如果辅助电源断开并且PoE电源没有启用(因为辅助支配或者辅助电源先工作)，将无法持续供电。
最后一种配置方式，即辅助电源直接连接到受电设备的电源输出方式，是一种简单却具备很多优点的方案。它需要一个为受电设备负载提供所需电流和调节电压的辅助电源。另外，这种配置方式通常需要额外的元件和一些重复功能，有时甚至需要另一个隔离开关稳压器或线性二次稳压器。
为PoE供电器件增加辅助电源是一件非常复杂的、极具挑战性的工作。只有理解了每种配置方式的成本、优点和限制，PoE设备的设计者才能够选择适合的方案并实现期望的系统性能。■