CN104993938A - 低成本的PoE透传供电电路 - Google Patents
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Abstract
一种PoE透传供电电路通过过流检测电路R1，MOS控制电路W1，以及防护电路D1/D2、共模滤波电路L1/C2后，通过网口RJ45的引脚输出。48V电源直接通过空闲线供电，避免通过数据线对本地网口芯片防护能力减弱，向下一级PD设备提供电源。本发明利用简单的电压比较器、MOS管、光耦等分立元件实现PSE供电透传功能，电路简单，成本较低，满足对IP Phone、IP Cmera等的级联供电功能；进一步简化电路降低成本，删除过流检测保护电路，只需要通过软件控制电源输出的开启和关闭；通过光耦、TVS和压敏等实现对PSE电路的防护功能，以及对主芯片GPIO引脚的防护。
Description
技术领域
本申请涉及一种PoE供电电路，具体的，是一种低成本的PoE透传供电电路。
背景技术
PoE是在标准以太网双绞线上传输数据的同时传输电源给远端设备的一种技术。这个技术对于那些不方便布线，或者布线成本高昂，或者根本无法单独布线提供电源的设备，诸如IP电话，无线AP，网络摄像头，网络交换机，嵌入式电脑等大有帮助。PoE有些时候比较类似于现有的POTS有线电话网络，不需要改动任何基础网络设施就可以在传输电源的同时传送数据。标准定义了两种设备：PoE供电设备Power Sourcing Equipment(PSE)以及PoE受电设备Powered Devices(PD)，由施电设备提供电源给受电设备。
PSE可以通过数据线供电，即网线的(1/2,3/6)供电，也可以通过空闲线供电，即(4/5,7/8)供电，只需要实现一种即可。PD需要同时支持数据线和空闲线受电。
随着智能家居、无线监控等网络的建设，对无线路由器、无线面板AP等产品提出了PoE供电透传(pass through)功能的需求：设备既要支持PD受电，同时又能给下一级设备提供供电功能。如面板式AP由PoE交换机提供电源，同时需要有网口给IP phone供电。
参见图1，现有技术的供电方案，采用PD芯片+PSE芯片来实现PoE透传功能，PD芯片完成分级、检测、缓起功能，同时PSE芯片实现对下一级PD设备的供电功能。
这种方法的实现带来成本的显著上升，PSE主要以多端口芯片为主，单端口芯片较少，芯片及外围电路器件数量增加较多，成本高；而且单端口PSE芯片很少提供管理接口，CPU无法实现对PSE电源的管理。
因此，如何降低成本，无须采用专门的PSE芯片，采用简单的器件实现PSE的透传供电功能，以节约成本，有利于低端产品的实现，成为现有技术亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低成本的PoE透传供电电路，通过简单的电压比较器、MOS等实现PSE的透传供电功能，过流保护功能，以及软件可配置PSE透传供电的开启和关断功能，不需要专用的PSE芯片，成本上有较大节约，尤其有利于低端产品的实现。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种PoE透传供电电路，其特征在于：
包括48V供电电源正极Vmain和直流电源回流端BGND，在直流电源回流端BGND中串联一个过流检测电路R1，所述过流检测电路R1输出过流保护控制信号PSE_enable1，并接入包含有MOS管Q1的MOS控制电路W1，所述MOS管控制电路W1还接入GPIO控制信号PSE_en，过流保护控制信号PSE_enable1和GPIO控制信号PSE_en共同控制MOS管控制电路W1中的MOS管Q1的导通和关闭，MOS管控制电路W1的输出端连接网口电源输出负极Port_NEG，所述网口电源输出负极Port_NEG与Vmain之间连接有滤波电容C1，滤波电容C1两端并联一颗瞬变电压抑制二极管(TVS)D1，D1再串联一颗瞬变电压抑制二极管(TVS)D2，D2另一端连接BGND.在D1后面并联压敏电阻RV1，一起对电源输出电路进行防护，同时在RV1两端串联共模电感L1以改善EMC指标，共模电感L1另一端的两针与网口连接器J1的空闲线.
优选地，所述过流检测电路R1为：网口电源输出负极Port_NEG和直流电源回流端BGND并联一颗过流检测电阻R5.在R5后面并联一颗滤波电容C5，滤波电容C5接地针连接到比较器U1的第4针，U1的第3针同时连接滤波电容C5的另一端和限流电阻R4，R4另一端连接到网口电源输出负极Port_NEG，Vdd为比较器U1的工作供电电压，为比较器U1的第3针提供对比电平，供电电压Vdd经过电阻R2，R3分压后与第3针电压进行比较，其中Vdd与BGND之间串联电阻R2和R3，R2的一端连接至Vdd，另外一端同时连接到比较器U1的第2针和电阻R3，电阻R3的另一端连接到BGND.在R3两端并联一颗滤波电容C3，R2和R3组成Vdd的分压电阻，经过分压得到设计要求的电压值；比较器U1的第2，3针经过电压比较在U1的第1针经过串联电阻R7得到输出结果端output1,输出结果端output1经过上拉电阻R6连接至Vdd，并经过滤波电容C4接地，输出结果端output1还与比较器第7针直接相连，使得第7针与第8针相比较，第8针电压Vdd经过与BGND之间的串联的R8,R9分压而得，R8连接Vdd，R9连接BGND，R9同时并联滤波电容C6，第7针和第8针比较后经过第6针串联电阻R10后输出过流保护控制信号PSE_enable1，比较器U1的第5针为U1的供电针连接至供电电压Vdd。
优选地，MOS管控制电路W1为，CPU输出GPIO控制信号PSE_en,经过串联限流电阻R11与上拉电阻R13连接到光耦U2阳极，光耦U2的阳极还连接有上拉电阻R13，所述上拉电阻R13一端上拉3.3V，一端连接到光耦U2的阳极，R12一端连接PSE_en，一端连接光耦U2的阴极，同时与接地电阻R14另一端相连，组成一个分压电路；光耦U2的集电极接入过流保护控制信号PSE_enable1，并通过R16上拉到Vdd,同时连接到三极管Q2的基极；Vdd经过串联电阻R17连接到三极管Q2的发射极还，还继续与接地电阻R18的另一端相连，构成分压电路，R18的另外一端连接到BGND；光耦U2的发射极串联电阻R15到BGND，在光耦U2的发射极与Vdd端之间连接有瞬变电压抑制二极管D3,保护光耦U2；
三极管Q2的集电极通过串联电阻R19到BGND，在电阻R19两端同时分别并联瞬变电压抑制二极管D4和电容C10,三极管Q2的集电极还通过串联限流电阻R21与MOS管Q3的G极相连,通过直接串联的R20和C9与MOS管Q1的D极连接，串联的R20和C9构成RC反馈电路，三极管Q2的集电极与MOS管Q1的G极相连，MOS管Q1的S极接直流电源回流端BGND，MOS管Q1的D极经过串联限流电阻R22连接到网口电源输出负极Port_NEG。
优选地，所述过流检测电路R1中，所述供电电压Vdd还经过滤波电容C7后连接到直流电源回流端BGND，过流保护控制信号PSE_enable1经过滤波电容C8连接至BGND。
优选地，Vdd由Vmain通过TL431/432转换提供。
优选地，MOS管Q1为NMOS管，空闲线为45,78线。
优选地，透传的实际输出功率要降额80％考虑。
本发明的48V电源(Vmain/BGND)通过过流检测电路R1，MOS控制电路W1，以及防护电路D1/D2、共模滤波电路L1/C2后，通过网口RJ45的引脚输出。48V电源直接通过空闲线供电，避免通过数据线对本地网口芯片防护能力减弱，向下一级PD设备提供电源。本发明利用简单的电压比较器、MOS管、光耦等分立元件实现PSE供电透传功能，，电路简单，成本较低，满足对IPPhone、IP Cmera等的级联供电功能；进一步简化电路降低成本，删除过流检测保护电路，只需要通过软件控制电源输出的开启和关闭；通过光耦、TVS和压敏等实现对PSE电路的防护功能，以及对主芯片GPIO引脚的防护。
附图说明
图1是现有技术中的PoE供电图；
图2是根据本发明的具体实施例的PoE透传供电电路原理图；
图3是根据本发明的另一个具体实施例的过流检测电路图
图4是根据本发明的又一个具体实施例的MOS控制开关电路图。
具体实施方式
如下为本发明中涉及的缩略语和关键术语定义
PoE：Power over Ethernet，简称为以太网供电。指在现有的以太网布线基础架构不作任何改动的情况下，为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时提供直流供电的技术。
PSE：power-sourcing equipment供电设备，主要功能是在链路段上寻找PD，检测PD，对PD分类，向链路供电，监控链路电源以及从链路上移除电源。
PD：Powered Device受电设备，可以直接从PSE端接受供电，或者向PSE端请求供电，不要求必须具有请求供电的能力。
IEEE802.af：首个PoE供电标准，输出最大功率为15.4W，2003年6月发布。规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接入点等设备供电的方式进行了规定。
IEEE802.at：在兼容802.3af的基础上，提供更大的供电需求，满足新的需求，最大输出30，标准于2009年发布。
本发明基于标准的PD设备，通过增加过流检测保护电路、GPIO控制开关电路，实现对PSE透传供电的功能。本发明为标准PD受电电路，PoE电源输入后，经过整流桥的整流，支持从数据线、空闲线取电，PD芯片能够实现检测、分级、缓起等功能。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例1：
参见图2，列出了根据本发明的具体实施例的PoE透传供电电路图，包括48V供电电源正极Vmain和直流电源回流端BGND，在直流电源回流端BGND中串联一个过流检测电路R1，所述过流检测电路R1输出过流保护控制信号PSE_enable1，并接入包含有MOS管Q1的MOS控制电路W1，所述MOS管控制电路W1还接入GPIO控制信号PSE_en，过流保护控制信号PSE_enable1和GPIO控制信号PSE_en共同控制MOS管控制电路W1中的MOS管Q1的导通和关闭，MOS管控制电路W1的输出端连接网口电源输出负极Port_NEG，所述网口电源输出负极Port_NEG与Vmain之间连接有滤波电容C1，滤波电容C1两端并联一颗瞬变电压抑制二极管(TVS)D1，D1再串联一颗瞬变电压抑制二极管(TVS)D2，D2另一端连接BGND.在D1后面并联压敏电阻RV1，一起对电源输出电路进行防护，同时在RV1两端串联共模电感L1以改善EMC指标，共模电感L1另一端的两针与网口连接器J1的空闲线(一般为45,78)相连。
本实施例48V电源(Vmain/BGND)通过过流检测电路R1，MOS控制电路W1，以及防护电路D1/D2、共模滤波电路L1/C2后，通过网口RJ45的引脚输出。48V电源直接通过空闲线供电，避免通过数据线对本地网口芯片防护能力减弱，向下一级PD设备提供电源。
其中，所述过流检测电路R1可以为过流检测电阻R1，MOS管Q1可以为NMOS管，空闲线可以为45,78线。
MOS管控制电路W1可以为常用电路。
PD芯片缺省为class 4类型，向PSE申请最大功率P1，PD设备自身消耗的功率P2，因此，能向下提供的功率为P3＝P1-P2，考虑PSE供电时线路、接口等的损耗，P3实际输出需要降额80％考虑。
此外，在计算透传供电的输出电流，设置过流保护点时，还需要考虑裕量及检测偏差。
实施例2：
进一步优选的，在直流电源回流端BGND和网口电源输出负极Port_NEG之间的所述过流检测电路R1可以选用精密电阻和电压比较器U1来实现，参见图3，所述过流检测电路R1为：网口电源输出负极Port_NEG和直流电源回流端BGND并联一颗过流检测电阻R5.在R5后面并联一颗滤波电容C5，滤波电容C5接地针(PIN)连接到比较器U1的第4针，U1的第3针同时连接滤波电容C5的另一端和限流电阻R4，R4另一端连接到网口电源输出负极Port_NEG，Vdd为比较器U1的工作供电电压，为比较器U1的第3针提供对比电平，供电电压Vdd经过电阻R2，R3分压后与第3针电压进行比较，其中Vdd与BGND之间串联电阻R2和R3，R2的一端连接至Vdd，另外一端同时连接到比较器U1的第2针和电阻R3，电阻R3的另一端连接到BGND.在R3两端并联一颗滤波电容C3，R2和R3组成Vdd的分压电阻，经过分压得到设计要求的电压值；比较器U1的第2，3针经过电压比较在U1的第1针经过串联电阻R7得到输出结果端output1,输出结果端output1经过上拉电阻R6连接至Vdd，并经过滤波电容C4接地，输出结果端output1还与比较器第7针直接相连，使得第7针与第8针相比较，第8针电压Vdd经过与BGND之间的串联的R8,R9分压而得，R8连接Vdd，R9连接BGND，R9同时并联滤波电容C6，第7针和第8针比较后经过第6针串联电阻R10后输出过流保护控制信号PSE_enable1，比较器U1的第5针为U1的供电针连接至供电电压Vdd。
进一步优选的，所述供电电压Vdd还经过滤波电容C7后连接到直流电源回流端BGND，过流保护控制信号PSE_enable1经过滤波电容C8连接至BGND。
其中，所述过流保护控制信号PSE_enable1输出给MOS管控制电路W1与GPIO控制信号PSE_en共同控制MOS管控制电路W1中的MOS管Q1的导通与关闭，在正常供电过程中，实现过流保护的功能。
本电路采用小电阻过流检测电阻实现，整体电路简单、可靠，成本最低。
其中，Vdd由Vmain通过TL431/432转换提供。
实施例3：
图2中所述过流保护控制信号PSE_enable1和GPIO控制信号PSE_en共同控制MOS管控制电路W1可以如图4所述，CPU通过一个GPIO，输出GPIO控制信号PSE_en,经过串联限流电阻R11与上拉电阻R13连接到光耦U2阳极，光耦U2的阳极还连接有上拉电阻R13，所述上拉电阻R13一端上拉3.3V，一端连接到光耦U2的阳极(即限流电阻R11的一端)，R12一端连接PSE_en，一端连接光耦U2的阴极，同时与接地电阻R14另一端相连，组成一个分压电路；光耦U2的集电极接入过流保护控制信号PSE_enable1，并通过R16上拉到Vdd,同时连接到三极管Q2的基极；Vdd经过串联电阻R17连接到三极管Q2的发射极还，还继续与接地电阻R18的另一端相连，构成分压电路，R18的另外一端连接到BGND；光耦U2的发射极串联电阻R15到BGND，在光耦U2的发射极与Vdd端之间连接有瞬变电压抑制二极管D3,保护光耦U2。
三极管Q2的集电极通过串联电阻R19到BGND，在R19两端同时分别并联瞬变电压抑制二极管D4和电容C10,三极管Q2的集电极还通过串联限流电阻R21与MOS管Q3的G极相连,通过直接串联的R20和C9与MOS管Q1的D极连接，串联的R20和C9构成RC反馈电路，即在MOS管Q1的G极与D极连接有电阻R21，R20和电容C9。三极管Q2的集电极与MOS管Q1的G极相连，MOS管Q1的S极接直流电源回流端BGND，MOS管Q1的D极经过串联限流电阻R22连接到网口电源输出负极Port_NEG。
该GPIO控制的MOS管控制电路W1使得GPIO通过光耦U2进行隔离，对芯片进行保护，上电缺省为低电平，关闭MOS管，不进行透传供电，考虑对下级非PD设备进行防护，避免上电烧坏BOB-SMITH电路的75ohm电阻；软件设置对下级PD透传供电时，当GPIO输出高电平电，Q2,Q1导通，网口电源输出负极Port_NEG与直流电源回流端BGND相通，形成供电回路，这样就可以实现对下一级PD设备的供电功能。
因此，本发明具有如下优点：
1、利用简单的电压比较器、MOS管、光耦等分立元件实现PSE供电透传功能，，电路简单，成本较低，满足对IP Phone、IP Cmera等的级联供电功能。
2、可以进一步简化电路降低成本，删除过流检测保护电路，只需要通过软件控制电源输出的开启和关闭。
3、通过光耦、TVS和压敏等实现对PSE电路的防护功能，以及对主芯片GPIO引脚的防护。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。
Claims (7)
1.一种低成本的PoE透传供电电路，其特征在于：
包括48V供电电源正极Vmain和直流电源回流端BGND，在直流电源回流端BGND中串联一个过流检测电路R1，所述过流检测电路R1输出过流保护控制信号PSE_enable1，并接入包含有MOS管Q1的MOS控制电路W1，所述MOS管控制电路W1还接入GPIO控制信号PSE_en，过流保护控制信号PSE_enable1和GPIO控制信号PSE_en共同控制MOS管控制电路W1中的MOS管Q1的导通和关闭，MOS管控制电路W1的输出端连接网口电源输出负极Port_NEG，所述网口电源输出负极Port_NEG与Vmain之间连接有滤波电容C1，滤波电容C1两端并联一颗瞬变电压抑制二极管（TVS）D1，D1再串联一颗瞬变电压抑制二极管（TVS） D2，D2另一端连接BGND.在D1后面并联压敏电阻RV1，一起对电源输出电路进行防护，同时在RV1两端串联共模电感L1以改善EMC指标，共模电感L1另一端的两针与网口连接器J1的空闲线。
2.根据权利要求1所述的PoE透传供电电路，其特征在于：
所述过流检测电路R1为：网口电源输出负极Port_NEG和直流电源回流端BGND并联一颗过流检测电阻R5.在R5后面并联一颗滤波电容C5，滤波电容C5接地针连接到比较器U1的第4针，U1的第3 针同时连接滤波电容C5的另一端和限流电阻R4，R4另一端连接到网口电源输出负极Port_NEG，Vdd为比较器U1的工作供电电压，为比较器U1的第3 针提供对比电平，供电电压Vdd经过电阻R2，R3分压后与第3针电压进行比较，其中Vdd与BGND之间串联电阻R2和R3，R2 的一端连接至Vdd，另外一端同时连接到比较器U1的第2针和电阻R3，电阻R3的另一端连接到BGND.在R3两端并联一颗滤波电容C3，R2和R3组成Vdd的分压电阻，经过分压得到设计要求的电压值；比较器U1的第2，3针经过电压比较在U1的第1针经过串联电阻R7得到输出结果端output1,输出结果端output1经过上拉电阻R6连接至Vdd，并经过滤波电容C4接地，输出结果端output1还与比较器第7针直接相连，使得第7针与第8针相比较，第8针电压Vdd经过与BGND之间的串联的R8,R9分压而得，R8连接Vdd，R9连接BGND，R9同时并联滤波电容C6，第7针和第8针比较后经过第6针串联电阻R10后输出过流保护控制信号PSE_enable1，比较器U1的第5针为U1的供电针连接至供电电压Vdd。
3.根据权利要求2所述的PoE透传供电电路，其特征在于：
MOS管控制电路W1为，CPU输出GPIO控制信号PSE_en,经过串联限流电阻R11与上拉电阻R13连接到光耦U2阳极，光耦U2的阳极还连接有上拉电阻R13，所述上拉电阻R13一端上拉3.3V，一端连接到光耦U2的阳极，R12一端连接PSE_en，一端连接光耦U2的阴极，同时与接地电阻R14另一端相连，组成一个分压电路；光耦U2的集电极接入过流保护控制信号PSE_enable1，并通过R16上拉到Vdd,同时连接到三极管Q2的基极；Vdd经过串联电阻R17连接到三极管Q2的发射极还，还继续与接地电阻R18的另一端相连，构成分压电路，R18的另外一端连接到BGND；光耦U2的发射极串联电阻R15到BGND，在光耦U2的发射极与Vdd端之间连接有瞬变电压抑制二极管D3,保护光耦U2；
三极管Q2的集电极通过串联电阻R19到BGND，在电阻R19两端同时分别并联瞬变电压抑制二极管D4和电容C10, 三极管Q2的集电极还通过串联限流电阻R21与MOS管Q３的Ｇ极相连,通过直接串联的R20和C9与MOS管Q1的D极连接，串联的R20和C9构成RC反馈电路，三极管Q2的集电极与MOS管Q1的G极相连，MOS管Q1的S极接直流电源回流端BGND，MOS管Q1的D极经过串联限流电阻R22连接到网口电源输出负极Port_NEG。
4.根据权利要求2或3所述的PoE透传供电电路，其特征在于：所述过流检测电路R1中，所述供电电压Vdd还经过滤波电容C7后连接到直流电源回流端BGND，过流保护控制信号PSE_enable1经过滤波电容C8连接至BGND。
5.根据权利要求4所述的PoE透传供电电路，其特征在于：
Vdd由Vmain通过TL431/432转换提供。
6.根据权利要求4所述的PoE透传供电电路，其特征在于：
MOS管Q1为NMOS管，空闲线为45,78线。
7.根据权利要求4所述的PoE透传供电电路，其特征在于：
透传的实际输出功率要降额80%考虑。
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