《電子技術應用》
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切勿忽視POE應用中的電纜和連接器失衡
摘要: 信息時代的成功典范之一就是局域網 (LAN) 的出現。通過把 PC 及其外設互相連到一個共同的網絡中,您可以分享所有信息,分擔每個人的工作。隨著實施成本穩步降低,LAN 連接使您現在能夠使用您曾經在經濟上承受不起的設備。
Abstract:
Key words :

信息時代的成功典范之一就是局域網 (LAN) 的出現。通過把 PC 及其外設互相連到一個共同的網絡中,您可以分享所有信息,分擔每個人的工作。隨著實施成本穩步降低,LAN 連接使您現在能夠使用您曾經在經濟上承受不起的設備。IP 電話、網絡攝像機、無線接入點、家庭自動化、建筑物管理只是其中幾個例子而已。
  在一些市場上,為連接的設備供電的相關費用為 LAN 互連制造了障礙。為了控制這些費用,IEEE 802.3 工作組目前正在開發一項 POE 標準,即 IEEE 802.3af,它將使數據鏈路能夠為每臺連接的設備提供多達 12.95W 的未穩壓直流電。
  供電設備 (power-sourcing equipment, PSE) 把幻象電流注入變壓器的中心抽頭,在這兒,幻象電流被一分為二,并穿過兩對平衡傳輸線路中的某一對(圖 1)。在遠端,這兩股電流進入一個變壓器,重新結合,形成受電設備 (powered device, PD) 的電源。該設備的返回路徑使用另一對平衡傳輸線路。這項建議標準把總電流設為 350mA(即每條路徑 175mA),這是設備能夠連續獲取的最大電流。
PSE 把幻象電流注入變壓器的中心抽頭,在這兒,幻象電流被一分為二,并穿過兩對平衡傳輸線路中的某一對。在遠端,這兩股電流進入一個變壓器,重新結合,形成受電設備的電源。
圖 1,PSE 把幻象電流注入變壓器的中心抽頭,在這兒,幻象電流被一分為二,并穿過兩對平衡傳輸線路中的某一對。在遠端,這兩股電流進入一個變壓器,重新結合,形成受電設備的電源。


在實施 POE 的過程中,您始終都應該考慮<a class=電纜的電阻失衡。一個典型的電纜通道能夠包含 5 條互連線路和 100 米線纜。" border="0" height="159" hspace="0" src="" width="440" />
圖 2,在實施 POE 的過程中,您始終都應該考慮電纜的電阻失衡。一個典型的電纜通道能夠包含 5 條互連線路和 100 米線纜。


  在實施這個方案的過程中,有一個缺點您始終都應該考慮,那就是電纜的電阻失衡。一個典型的電纜通道能夠包含 5 條互連線路和 100 米線纜(圖 2)。這項建議標準規定,通道的兩條路徑之間的電阻差額不能超過兩條路徑總電阻的 3%,計算如下:
  公式    方程 1  
  其中 RMAX 電阻較高路徑的電阻,RMIN是電阻較低路徑的電阻。
  在電流最大時,該失衡等于變壓器核心上10.5mA的偏流。在各種公差和溫度條件下,100BaseTX 應用的變壓器的最低電感為 350μH,直流偏流不超過 8mA。如果變壓器只能容忍這么大的偏流,那么在變壓器達到 267mA (見方程 2)的飽和值之前,它會降低供電設備能夠交付的最大電流。
   公式       方程 2
  考慮這樣一種情形,只有一條 5 m軟線 (patch cable) 分隔供電設備和受電設備。這種不符合建議標準的情形,能導致電流失衡值超過 42mA。您可以核實這一事實,方法是把方程 3 中的 RB 設為零,并解出 IIMBAL。
為了把電流能力恢復為 350mA,您需要穩流電路。這種解決電纜和<a class=連接器失衡問題的方法,在傳輸通道和接收通道的各端都利用了兩個電阻器。" border="0" height="265" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100812/91e2e345-f692-4381-809d-5ff50c72bcf6.jpg" width="300" />
圖 3,為了把電流能力恢復為 350mA,您需要穩流電路。這種解決電纜和連接器失衡問題的方法,在傳輸通道和接收通道的各端都利用了兩個電阻器。


  為了把電流能力恢復為 350mA,您必須采用穩流電路。圖 3 詳細描繪了一種利用兩個電阻器解決電纜和連接器失衡問題的方法。請注意,傳輸通道和接收通道的各端都需要穩流電阻器。增加電容器,并與電阻器并聯,可以幫助把穩流電阻器導致的信號損耗降至最低程度。您應該選用電容器,以便在最低的信號頻率時,實現低阻抗。雖然電容器的值取決于實施情況,但如果選用0.22μF電容器,則在 100kHz 時,損耗小于 0.5dB。
  表 1 詳細說明了在最低溫度和最高溫度時,不同電纜尺寸的電阻。后面的計算利用這些電阻值來求連接器失衡值和電壓降。
電纜阻抗
表1 電纜阻抗


  為了計算穩流電阻,典型的最大配置使用了 5 個連接器。在每個連接點,一個觸點的測量值為 0Ω,另一個觸點的測量值為 0.02Ω,這是 IEC 512-2 允許的最大電阻。而且,模型使用了一條 5米長的 22 AWG 電纜,這是因為較長的電纜可以減少連接器的影響在失衡中的比重。描述這一相互作用的方程如下:
      公式     方程 3
  其中 IOUT(來自 PSE 的最大電流)=350mA,IIMBAL(兩對線路之間的電流差額)=58mA,RC(5m 22 AWG 電纜)=0.24Ω,RB(穩流電阻)=6.6Ω,RCONN(5 個連接器的觸點總電阻)=0.1Ω.
  在這些條件下,最壞情形下的電流失衡值為 6.25mA。使用 3.3Ω 鎮流電阻器,可以提高與電纜有關的總電壓降,提高幅度為:
      公式   方程 4
  建議標準要求,供電設備提供的最低電壓應超過 44V,受電設備的最高電壓不超過 36V。在最大電流時,這個 8V 的余量允 許供電設備和受電設備之間的各條傳導路徑的電阻高達 45.7Ω。即使在最壞情形的溫度條件和公差條件下,使用 3.3Ω 鎮流電阻器,并與 100m 26 AWG 電纜串聯,也能提供 0.28V 的余量:
    公式    方程 5
  在過流情況下,穩流電阻器會產生最壞情形功率耗散,建議標準把它設為 450mA。在這種情況下, 穩流電阻器的額定瓦數為:
    公式    方程 6
  因此,額定值為 0.25W 的電阻器滿足要求。
  有了 IEEE 建議的最新標準,功率要求不高的 LAN 設備現在可以選擇從中央集線器獲得電力。不過,采用這一功能時,您應該考慮增加穩流電阻器,來消除使絕緣變壓器飽和的可能性。
  實施穩流電阻器的一種替代方法是設計一個定制的磁性模塊,它能夠適應更大的偏移電流。這種方法的不利方面是成本更高,模塊尺寸更大,這主要是由于該設計需要更大的磁性結構。而且,當用最短距離把供電設備和受電設備分隔開的時候,電流可能為 42mA,設計一種能容忍這種情況的變壓器,在經濟上是不現實的。
  當然,您可以選擇什么都不做,這種情況下,變壓器可能會飽和,而信號恢復工作將由物理層芯片中的基線游離糾正電路來承擔。糟糕的是,一些現有的 LAN 芯片缺乏此類電路。

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