CN109309375A - 一种基于单片机控制的poe供电系统 - Google Patents

一种基于单片机控制的poe供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单片机控制的POE供电系统，包括单片机、控制开关、开关驱动模块、短路保护模块、负载检测模块、限流模块、功率检测模块。负载依次经过控制开关、限流模块接地。单片机的开关控制输出端与开关驱动模块的受控端相连接；开关驱动模块的信号输出端与控制开关的受控端相连接。控制开关与限流模块的公共节点与短路保护模块的检测端相连接；短路保护模块的信号输出端连接控制开关的受控端。控制开关的输入端经过负载检测模块与单片机的负载检测端口相连接。通过单片机实现POE握手供电，在供电端上电后通过检测受电端是否有电压变化判断是否有受电设备接入，电路结构简单，成本低。

Description

一种基于单片机控制的POE供电系统
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于单片机控制的POE供电系统。
背景技术
POE(Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作 任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点 AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的 技术。POE也被称为基于局域网的供电系统(POL,Power over LAN)或有源以 太网(Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太 网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太 网系统和用户的兼容性。
现有的POE供电系统包括一个供电设备(也称供电端)，一个受电设备(也 称受电端)，供电设备与受电设备之间通过几条网线连接，其中通过网线A为 供电电压48V，通过网线B传送一个握手电压，网线A是否连通由开关来确定。 现有的这种POE供电设备中含有PSE芯片，受电设备中含有PD芯片，当PSE芯 片与PD芯片吻合时，关闭开关使得网线A通路，使得供电设备对受电设备进 行供电。受电设备的种类有很多例如路由器、IP Phone等等，此类受电设备需 要电压为12V的直流电流进行供电。
众所周知，PSE芯片的价格不菲，因此，现有的POE供电系统价格高，难 以得到广泛应用。因此如何提供一种无须采用专门PSE芯片的POE供电系统就 成为急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于单片机控制的POE供电系 统，该系统通过单片机实现POE供电控制，解决了现有POE供电系统成本高的 问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种基于单片机控制的POE供电系统。包括供电接口模块、单片机、控制 开关、开关驱动模块、短路保护模块、负载检测模块、限流模块、功率检测 模块。供电接口模块用于连接直流电源与负载。负载依次经过控制开关、限 流模块接地。单片机的开关控制输出端K1与开关驱动模块的受控端相连接； 开关驱动模块的信号输出端K1_CON与控制开关的受控端相连接。控制开关与 限流模块的公共节点与短路保护模块的检测端相连接；短路保护模块的信号 输出端K1_CON连接控制开关的受控端。控制开关的输入端经过负载检测模块与单片机的负载检测端口T1相连接。控制开关与限流模块的公共节点经过功 率检测模块与单片机的功率检测端口S1相连接。
进一步地，控制开关包含N型MOS管U7。负载与N型MOS管U7的漏极相 连接；N型MOS管U7的源极经过限流模块接地；开关驱动模块的信号输出端 K1_CON与N型MOS管U7的栅极相连接；N型MOS管U7的源极与限流模块的 公共节点与短路保护模块的检测端相连接；短路保护模块的信号输出端 K1_CON与N型MOS管U7的栅极相连接；N型MOS管U7的漏极经过负载检测 模块与单片机的负载检测端口T1相连接；N型MOS管U7的源极与限流模块的 公共节点经过功率检测模块与单片机的功率检测端口S1相连接。
进一步地，开关驱动模块包含NPN型三极管Q12、电阻R120、电阻R39、 电阻R132。单片机的开关控制输出端K1经过电阻R120与NPN型三极管Q12的 基极相连接；并且，直流电源依次经过电阻R39、电阻R120与NPN型三极管 Q12的基极相连接。NPN型三极管Q12的集电极与控制开关的受控端相连接。 直流电源经过电阻R132与控制开关的受控端相连接。NPN型三极管Q12的发射 极接地。
进一步地，短路保护模块包含NPN型三极管Q13、电阻R145。控制开关与 限流模块的公共节点经过电阻R145与NPN型三极管Q13的基极相连接；NPN 型三极管Q13的集电极与控制开关的受控端相连接。NPN型三极管Q13的发射 极接地。
进一步地，负载检测模块包含电阻R21、电阻R22、电容C11。控制开关 的输入端依次经过电阻R21、电阻R22接地；电容C11与电阻电阻R22相并联。
进一步地，供电接口模块的输入端的负极经过单向瞬态抑制管D15接地； 供电接口模块的输入端的正极与负极之间依次经过稳压管D5、R29相连接。
本发明的有益效果：
(1)本发明仅通过单片机、控制开关及较少的无源元件既能实现POE握手 供电，在供电端上电后通过检测受电端是否有电压变化判断是否有受电设备 接入，电路结构简单，成本低，响应迅速，快速准确地实现多路受电端电源 通断。
(2)通过功率检测模块对负载功率进行检测，保证负载在预设功率范围内 进行工作。
(3)短路保护模块自动对供电电流进行检测，当发生电流过大时，短路保 护模块迅速感应，并控制控制开关断开，对控制开关及限流模块进行有效的 短路保护。
附图说明
图1为本发明的电路框图。
图2为图1中控制开关3的电路原理图。
图3为图1中开关驱动模块4的电路原理图。
图4为图1中短路保护模块5的电路原理图。
图5为图1中单片机2的电路示意图。
其中，图1至图5的附图标记为：供电接口模块1、单片机2、控制开关 3、开关驱动模块4、短路保护模块5、负载检测模块6、限流模块7、功率检 测模块8、直流电源9、负载10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种基于单片机控制的POE供电系统，包括供电接口模块 1、单片机2、控制开关3、开关驱动模块4、短路保护模块5、负载检测模块 6、限流模块7、功率检测模块8。
供电接口模块1是连接直流电源9与负载10(即POE设备)的线路； 供电接口模块1的输入端用于接入48V的直流电源9；供电接口模块1的负 载端用于为负载10供电。负载10依次经过控制开关3、限流模块7接地。 控制开关3设置在系统的低电位上，以满足单片机2的TTL电平的驱动能力。 单片机2的开关控制输出端K1与开关驱动模块4的受控端相连接；开关驱动 模块4的信号输出端K1_CON与控制开关3的受控端相连接。控制开关3与 限流模块7的公共节点与短路保护模块5的检测端相连接；短路保护模块5 的信号输出端K1_CON连接控制开关3的受控端。控制开关3的输入端经过 负载检测模块6与单片机2的负载检测端口T1相连接；控制开关3与限流模 块7的公共节点经过功率检测模块8与单片机2的功率检测端口S1相连接。
具体地，如图2所示，控制开关3包含N型MOS管U7。负载10与N 型MOS管U7的漏极相连接；N型MOS管U7的源极经过限流模块7接地； 开关驱动模块4的信号输出端K1_CON与N型MOS管U7的栅极相连接。 N型MOS管U7的源极与限流模块7的公共节点与短路保护模块5的检测端 相连接；短路保护模块5的信号输出端K1_CON与N型MOS管U7的栅极 相连接。N型MOS管U7的漏极经过负载检测模块6与单片机2的负载检测 端口T1相连接。N型MOS管U7的源极与限流模块7的公共节点经过功率 检测模块8与单片机2的功率检测端口S1相连接。
具体地，如图3所示，开关驱动模块4包含NPN型三极管Q12、电阻 R120、电阻R39、电阻R132。单片机2的开关控制输出端K1经过电阻R120 与NPN型三极管Q12的基极相连接；并且，直流电源9依次经过电阻R39、 电阻R120与NPN型三极管Q12的基极相连接。NPN型三极管Q12的集电 极与控制开关3的受控端相连接。直流电源9经过电阻R132与控制开关3 的受控端相连接。NPN型三极管Q12的发射极接地。电阻R120为NPN型 三极管Q12的偏置电阻。电阻R39、电阻R132分别为上拉电阻。
具体地，如图4所示，短路保护模块5包含NPN型三极管Q13、电阻 R145。控制开关3与限流模块7的公共节点经过电阻R145与NPN型三极 管Q13的基极相连接。NPN型三极管Q13的集电极与控制开关3的受控端 相连接。NPN型三极管Q13的发射极接地。
具体地，如图2所示，负载检测模块6包含电阻R21、电阻R22、电容 C11。控制开关3的输入端依次经过电阻R21、电阻R22接地。电容C11与 电阻电阻R22相并联。
具体地，如图2所示，限流模块7包含相并联的电阻R96、电阻R97。
具体地，如图2所示，功率检测模块8包含电阻R32。
此外，供电接口模块1的输入端的负极经过单向瞬态抑制管D15接地， 用于防雷等保护。供电接口模块1的输入端的正极与负极之间依次经过稳压 管D5、R29相连接。
此外，本申请还包含提示灯。参见图5，提示灯与单片机2负载提示端口L1相连接，用 于在系统为负载10供电的状态下，发出供电提示。
工作原理：
电阻R21与电阻R22构成分压电路，电容C11对电阻R22进行滤波； 初始时，供电接口模块1在负载端输出很小的电流，该电流经过负载10后， 依次经过电阻R21、R22至地端，形成通路；单片机2的负载检测端口T1 采集电阻R21与电阻R22节点处的参考电压，用于检测供电接口模块1的负 载端是否有支持IEEE802.3af标准的受电设备；单片机2通过负载检测端口 T1检测供电接口模块1的负载端的负载10大小是否在预设范围内，如果在 预设范围内，则认为供电接口模块1的负载端有可受电的设备，并进行握手 供电。负载检测端口T1的负载10大小的检测范围可由电阻R21、电阻R23 进行设置。
开始供电时，在一个可配置时间(一般小于15μs)的启动期内，单片机2 的开关控制输出端K1的输出电平由低到高，控制N型MOS管U7的开启， 系统开始从低电压向受电设备供电，直至提供48V的直流电源。
供电状态下，系统为负载10提供稳定可靠的48V的直流电，单片机2 的功率检测端口S1检测供电接口模块1负载端的功率值，通过电阻R32检 测供电线路上的电流值，电阻R32将该电流值转化为电压参考值，单片机2 以此评估负载10的功率损耗。单片机2保持供电接口模块1的负载端不越过 系统预设的功率损耗；在检测到负载10的功率消耗大于预设功率值时，单片 机2的开关控制输出端K1的输出低电平，控制N型MOS管U7断开，系统 不为负载10供电。
若负载10从网络上断开时，负载检测端口T1无法检测到信号，单片机 2的开关控制输出端K1的输出低电平，就会快速地控制N型MOS管U7断 开，停止为负载端供电；然后通过负载检测端口T1重复检测过程，以检测系 统的终端是否连接了负载10。
NPN型三极管Q12用于实现单片机2对N型MOS管U7的低电压驱动， 上拉电阻R132、R39提高NPN型三极管Q12对N型MOS管U7启动工作 的驱动能力。
供电状态下，在系统的负载端发生短路时，过大电流很容易将限流模块7 的电阻烧坏，有时甚至会烧坏N型MOS管U7；为了避免该问题的发生，本 申请设置了过流自动保护功能。在系统供电状态下，NPN型三极管Q13的基 极对限流模块7的输入端S1_CON进行检测，当发生电流过大时，NPN型三 极管Q13迅速饱和导通，将N型MOS管U7的栅极下拉至地，N型MOS 管U7自动断开，从而实现短路保护。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可 以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联 想到的其它改进和变化均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单片机控制的POE供电系统，其特征在于：
包括供电接口模块、单片机、控制开关、开关驱动模块、短路保护模块、负载检测模块、限流模块、功率检测模块；
供电接口模块用于连接直流电源与负载；
负载依次经过控制开关、限流模块接地；
单片机的开关控制输出端与开关驱动模块的受控端相连接；开关驱动模块的信号输出端与控制开关的受控端相连接；
控制开关与限流模块的公共节点与短路保护模块的检测端相连接；短路保护模块的信号输出端连接控制开关的受控端；
控制开关的输入端经过负载检测模块与单片机的负载检测端口相连接；
控制开关与限流模块的公共节点经过功率检测模块与单片机的功率检测端口相连接。
2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的POE供电系统，其特征在于：
控制开关包含N型MOS管U7；
负载与N型MOS管U7的漏极相连接；
N型MOS管U7的源极经过限流模块接地；
开关驱动模块的信号输出端与N型MOS管U7的栅极相连接；
N型MOS管U7的源极与限流模块的公共节点连接短路保护模块的检测端；短路保护模块的信号输出端与N型MOS管U7的栅极相连接；
N型MOS管U7的漏极经过负载检测模块与单片机的负载检测端口相连接；
N型MOS管U7的源极与限流模块的公共节点经过功率检测模块与单片机的功率检测端口相连接。
3.根据权利要求1所述的基于单片机控制的POE供电系统，其特征在于：
开关驱动模块包含NPN型三极管Q12、电阻R120、电阻R39、电阻R132；
单片机的开关控制输出端经过电阻R120与NPN型三极管Q12的基极相连接；并且，直流电源依次经过电阻R39、电阻R120与NPN型三极管Q12的基极相连接；
NPN型三极管Q12的集电极与控制开关的受控端相连接；
直流电源经过电阻R132与控制开关的受控端相连接；
NPN型三极管Q12的发射极接地。
4.根据权利要求1所述的基于单片机控制的POE供电系统，其特征在于：
短路保护模块包含NPN型三极管Q13、电阻R145；
控制开关与限流模块的公共节点经过电阻R145与NPN型三极管Q13的基极相连接；
NPN型三极管Q13的集电极与控制开关的受控端相连接；
NPN型三极管Q13的发射极接地。
5.根据权利要求1所述的基于单片机控制的POE供电系统，其特征在于：
负载检测模块包含电阻R21、电阻R22、电容C11；
控制开关的输入端依次经过电阻R21、电阻R22接地；
电容C11与电阻电阻R22相并联。
6.根据权利要求1所述的基于单片机控制的POE供电系统，其特征在于：
供电接口模块的输入端的负极经过单向瞬态抑制管D15接地；
供电接口模块的输入端的正极与负极之间依次经过稳压管D5、R29相连接。
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