8口百兆POE工业以太网交换机设计

李涛　刘艳彬　刘文英

摘 要：本设计实现的8口100BASE-TX POE交换机遵循IEEE 802.3u 100BASE-TX，POE供电遵循802.3af和IEEE 802.3at标准，使用POE管理芯片，实现了由网口对外供电的功能，并且依据LLDP （Link Layer Discovery Protocol）协议自动检测PD设备功耗值，供给PD合理电量，充分满足后端受电设备的需求。

关键词：以太网；POE；交换机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.121

1 引言

随着智能终端设备的增多，传统的供电方式布线复杂，安全隐患较多，功率损耗较大，维护困难；PoE （Power over Ethernet）技術应运而生，此技术在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，为一些基于IP的终端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[1]，实现“网电合一”。

2 POE交换机系统方案设计

本设计使用PD69208/PD69200芯片组与MARVELL的交换芯片88E6085实现POE交换机设计。

系统方案可以分为两大部分：交换电路和POE电路，其中交换电路主要包括交换单元、DC/DC降压电路模块、系统复位电路、时钟电路，接口电路、指示灯电路等；POE电路主要包括POE、Boost升压电路模块。PD69208是Microsemi八口PSE POE Manager， PD69200内嵌一颗CortexTX-M0+内核，PD69208/PD69200芯片组组成POE模块，可以实现PD设备的实时检测，从而为受电设备提供合适的电压。系统框图如图1所示。

3 交换电路设计

（1）交换单元设计。交换单元是整个交换机的核心。交换机的存储交换功能，全双工、半双工、自动协商工作模式、 MDI/MDI-X自适应、背压流控等功能均是由交换单元实现的。

本设计中交换单元采用Marvell的Switch 88E6085作为交换芯片。

88E6085是Marvell的一款低功耗的10 Port快速以太网交换芯片，其内部Port0～Port7集成了10BASE/100BASE-TX PHY，Port9～Port10 支持MII接口，本设计中使用Port0～Port7用作100BASE-TX通信口，使用此芯片内部集成8个PHY，一方面节省成本，另一方面减少了外部PHY，使得设计简单、PCB布线简洁。88E6085中所有的PHY和MAC单元均符合IEEE802.3， IEEE802.3u，IEEE802.3x标准。另外88E6085具有1Mbit片上开关结构，实现了真正的非阻塞切换性能，并且支持多达2K的MAC地址自动学习和老化。

88E6085具有Link，Speed，Duplex Mode，Collision，and Tx/Rx Activies等状态指示功能，本设计中使用RJ45通信接口因此只使用Link/Act和Speed指示功能，因此在交换单元设计中88E6085的功能配置中设置CONFIG_A=1，使LED指示模式为LED Mode3。LED Mode3的指示含义为：

Link/Act指示灯闪烁：指示TX/RX通信正常。

Link/Act指示灯常亮：指示已连接。

Link/Act指示灯灭：指示未连接。

Speed指示灯常亮：通信速率为100M。

Speed指示灯灭：通信速率为10M。

（2）DC/DC降压电路设计。8口百兆POE交换机采用外部24VDC供电，本设计中交换芯片88E6085需要2.5V和1.2V电压，因此需要采用降压设计，24VDC通过DC/DC芯片TPS54340把24VDC转成+5V，然后+5V经过两片降压芯片TLV62085RL分别把+5V电压转成+2.5V和+1.2V电压，+2.5V电压分别给交换芯片88E6085的VDDO、VDDAH、指示灯和网络变压器的中心抽头供电， +1.2V电压分别给交换芯片的VCC_CORD和VDDAL供电。TPS54340和TLV62085最大输出电流均为3A满足交换电路的功率需求。DC/DC降压电路如图2所示。

（3）外围电路设计。时钟电路设计中采用无源晶振作为交换芯片的时钟源，产生25MHz参考时钟信号。交换芯片88E6085的供电电压为+2.5V和+1.2V，因此系统复位电路中采用的复位芯片选择复位阈值为2.18V的复位芯片，在系统上电时产生低电平复位信号，使系统完成复位。

4 POE电路设计

IEEE802.3at，IEEE802.3af标准下的POE供电系统包括PSE（供电端设备）和PD受电端设备，PSE设备是为以太网客户端供电的设备，也是POE以太网供电过程的管理者。PSE在为PD设备供电前，先提供一个低电压检测PD设备的特征电阻，来确认是否符合POE供电标准，PSE对符合IEEE802.3af标准的PD设备提供44～57V直流电压，默认提供15.4W的功率，对符合IEEE802.3at标准的PD设备提供50～57V直流电压，默认提供30W的功率。

（1）POE芯片选型。PD69208是一个集成了电源，模拟和逻辑状态的8端口以太网供电管理芯片，该芯片履行IEEE802.3at，IEEE802.3af标准，并可以依照AT，AT标准，根据PD负载上产生的不同的电压进行PD检测。POE控制器PD69200是一个预编程的MCU， PD69208/PD69200芯片组通过过载、欠载、过压，过热，短路等保障机制为PD提供了实时保护，PD69208/PD69200芯片组依据IEEE802.3at，IEEE802.3af和POH标准，执行所有实时功能，包括PD检测，AF，AT，POH分类，该芯片组组成的POE 设计方案满足本设计中8口POE的设计需求。

（2）升压电路设计。PD69208供电电压范围为32V～57V，因此需要使用升压电路实现把外部供电24VDC升压至48VDC；设计中POE供电兼容IEEE802.3at和IEEE802.3af，IEEE 802.af标准PSE端口输出功率为15.4W，IEEE802.3at PSE输出功率为30W，PD6920在IEEE802.3at標准下供电电流为10～600mA，并且IEEE802.3at向下兼容IEEE802.3af，因从升压电路供电电流应大于5A（8*600mA=4800mA）。根据升压电路输出电压电流的需求，本设计采用凌特的TLC3787芯片完成升压功能。

TLC3787是一款宽电压输入多相同步升压控制器，多相同步操作可以减少电源噪声，提高效率，在实际电路测试中，升压电路经过两次升压达到48V，第一次升压至41.5V左右后再次升压至48V左右。实际测试与仿真测试结果一致。LTC3787可以满足8网口同时供电。升压电路原理图如图3所示，升压电路仿真图如4所示。

5 接口电路设计

在以太网接口电路中，网络变压器在PHY芯片和RJ45之间起到了电气隔离的作用，它隔断了PHY和RJ45之间的物理连接，起到了静电保护作用，在POE供电接口电路中，网络变压器也是必不可少的，它除了具有在普通以太网接口电路中的电气隔离、阻抗匹配、信号耦合等作用外，还为POE提供DC直流供电。在IEEE802.3af标准下可以有两种接线方法。在10BASE/100BASE-T通信中，只用到了2对双绞线。第一种是利用空闲对4、5和7、8供电，其中4、5为正极，7、8为负极，传递48V电源。第二种是利用通信线传递信号的同时进行供电，其中3、6为正，1、2为负，由于信号的传输频率与电源的频率不同因此供电的同时不影响通信。本设计采用第二种利用通信线供电方式对PD设备进行供电。

6 结论

经过测试本交换机完成并实现了10/100M速率设置，半双工、全双工、自协商，MDI/MDI-X自适应，POE供电等多个功能，满足了设计需要。

参考文献：

[1]傅可扬.基于MAX5980芯片的POE网络交换机设计[J].电子世界，

2013（16）：150-151.

[2]ANALOG DEVICE.PolyPhase Synchronous Boost Controller[EB/OL].http：//www.analog.com/cn/index.html.

[3]MARVELL.MV-S104212-00C-88e6085Datasheet[EB/OL].http：//www.marvell.com.

作者简介：李涛（1982-），男，天津人，硕士，助理工程师，主要从事工业总线和工业以太网方向的研究工作。