以太網(wǎng)供電 (PoE) 使以太網(wǎng)電纜能夠承載電力和數(shù)據(jù)。例如，舊的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 電話通常需要直流電源和以太網(wǎng)電纜來分別提供電力和數(shù)據(jù)。通過在以太網(wǎng)交換機中實施 PoE，電力通過以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)?IP 電話，無需電源。參見圖 1。

圖 1：新舊 IP 電話數(shù)據(jù)/電源路徑

以太網(wǎng)電纜的兩側有兩種類型的設備：供電設備 (PSE) 和受電設備 (PD)。在采購端，PSE 設備通常安裝在以太網(wǎng)交換機、路由器、網(wǎng)關和無線回程中。PD在負載側管理和保護PoE系統(tǒng)。PD 通常安裝在 IP 電話、安全攝像頭和接入點中。

在這篇文章中，我將解釋何時需要系統(tǒng)軟件來控制 PSE 以實現(xiàn)比 IEEE802.3at（電氣和電子工程師協(xié)會以太網(wǎng)標準）中定義的功能更多的功能，以及如何開始使用 TPS23861 PoE MSP430?用于開發(fā)我們自己的系統(tǒng)軟件的微控制器 (MCU) 參考代碼。

該TPS23861下，PoE PSE控制器，適用于大眾市場應用最流行的PSE設備之一，在產(chǎn)品，如監(jiān)控的NVR，以太網(wǎng)交換機和無線接入點設計。它具有三種模式：自動模式、半自動模式和手動模式。在自動模式下，不需要主機控制，TPS23861可以自行操作（包括檢測、分類、上電和故障處理）。這種模式通常用于標準的低端口數(shù) PSE 系統(tǒng)。在半自動模式下，只要使能檢測和分類（0x14），端口就會自動進行檢測和分類。需要一個按鈕命令 (0x19h) 來打開端口的電源。半自動模式通常用于設計人員可以實現(xiàn)多端口電源管理的高端口數(shù) PSE 系統(tǒng)。手動模式提供了最大的靈活性。它用于非標準的 PoE 應用，例如大功率 PoE PD 和非 PoE 負載。

在半自動或手動模式下運行時，具有這些標準的系統(tǒng)將需要一個外部 MCU 來控制 PSE：

· 系統(tǒng)的端口數(shù)很高（超過八個端口）。

· 系統(tǒng)需要接入大功率PoE PD等非標準PD。

· 電源無法在滿載的情況下為所有端口供電，因此需要多端口電源管理模塊。

一旦我們確定我們的系統(tǒng)是否需要外部 MCU，可用于開發(fā)我們自己的軟件的一個很好的資源是 TPS23861 PoE MSP430 MCU 參考代碼。本系統(tǒng)軟件支持：

· 完全符合 IEEE802.3at PoE 規(guī)范。

· 設備檢測、分類和開機。

· 故障報告（過流、過熱、直流斷開等）。

· 多端口電源管理。

多端口電源管理

多端口電源管理方法管理 PD 的分布和優(yōu)先級。IEEE 規(guī)范本身沒有定義電源管理；相反，它是一種利用 PoE 規(guī)范的功能，因為它定義了端口和系統(tǒng)電源等術語。

啟用 POE 的系統(tǒng)中多端口電源管理的目標有兩個：為盡可能多的 PoE PD 供電并限制 PoE PD 的電源循環(huán)。

可用的最大系統(tǒng)功率限制了可供電端口的總數(shù)。例如，每個 PoE PD 最多可以消耗 30W，一個 48 端口的系統(tǒng)可以消耗超過 1,440W 的總系統(tǒng)功率。如果可用的最大系統(tǒng)功率小于 1,440W，則需要多端口電源管理，以便在滿足目標的同時最有效地使用可用系統(tǒng)功率。

在 TPS23861 PoE MSP430 MCU 參考代碼中，多端口電源管理模塊在半自動模式參考代碼中實現(xiàn)。

有兩種實現(xiàn)電源管理功能的方法：

· 在不檢查剩余功率的情況下打開每個端口的電源，如果系統(tǒng)總功率超過功率預算，則關閉端口。

· 在給每個端口上電之前，計算系統(tǒng)總電量并檢查剩余電量是否足以為端口上電。

TPS23861 PoE ?MSP430 MCU 參考代碼實現(xiàn)了第二種方法，考慮了更嚴重的情況，即軟件中的功率預算與電源的實際功率容量之間的余量不足以打開一個額外的端口。

在 PSE 發(fā)現(xiàn)有效的 PoE PD 后插入多端口電源管理模塊。我最初的想法是計算剩余的功率，并將其與當前端口請求的功率進行比較（通過分類后的分類結果估計）。如果剩余電量足夠開啟當前端口，則會發(fā)起開機命令；否則，系統(tǒng)軟件或主機會檢查是否有任何低優(yōu)先級的端口上電。當PD設備連接到PSE端口時，PSE產(chǎn)生中斷；那么主機就知道哪個端口連接了PD。

如果存在優(yōu)先級較低的端口，主機將關閉該端口，以便有足夠的電力打開當前端口。

如果你再深入思考一下，你會發(fā)現(xiàn)上面的邏輯還有一些沒有考慮到的極端情況：

· 如果關閉所有低優(yōu)先級端口后，剩余電量仍然不足以打開當前端口怎么辦？

· 由于系統(tǒng)功率只有在端口插入完成分類時才計算，如果PD處于休眠模式或者上電后沒有拉滿負載，并且在某個時間負載突然增加怎么辦？

考慮到這兩種極端情況，我們從兩個方面優(yōu)化了多端口電源管理算法：

· 我們不是在識別出電量不足后關閉優(yōu)先級較低的端口，而是在關閉所有優(yōu)先級低于當前端口的端口后，先檢查剩余電量是否足夠。如果電量仍然不夠，我們就讓當前端口等待。否則我們關閉每個循環(huán)中最低優(yōu)先級的端口。

· 為避免負載階躍變化損壞電源，我們添加了一個模塊，該模塊在定時器觸發(fā)的中斷中運行，用于監(jiān)控消耗的系統(tǒng)總功率。如果超過功率預算，它將關閉最低優(yōu)先級的端口。

圖 2 為上電決策流程圖，圖 3 為系統(tǒng)電源監(jiān)控流程圖。

圖2：開機決策流程圖

圖 3：系統(tǒng)電源監(jiān)控流程圖