一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路

摘要

本发明公开了一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路，包括：POE稳压电路,将来自以太网供电设备的极性未知的直流经整流后产生极性确知的高压输出，并转换为稳定的电压输出，将来自以太网的数据传输至系统电路；主电压产生模块，将POE稳压电路的输出转换为系统所需电压，并使该电压较POE稳压电路的输出延时输出；可控开关阵列，用于在POE稳压电路的输出建立初期将接口电路与系统电路、主电压产生模块隔离，于该输出建立或系统电路启动后将接口电路与主电压产生模块、系统电路相连；接口电路及系统电路，本发明可避免串口通路把用户端电网工频50Hz的干扰带入芯片检测端，从而导致检测失败导致PCB上电启动失效的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电路，特别是涉及一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路。

背景技术

现在越来越多的家庭终端、监控设备以及企业网络通讯产品陆续选择通过网线的方式来获取系统供电，从而摆脱了采用交流适配器所带来的麻烦，并将进一步拓展以太网技术的应用领域，针对这样供电及受电的产品称之为POE设备，即poweronEthernet。通过POE受电也有两大类区分：隔离式和非隔离式的。隔离式电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路，其抗干扰能力强，安全性高，但结构复杂体积大；非隔离式电源输入和输出之间可以直接或者通过内部MOS切换形成电流回路，其抗干扰能力差，安全性低。针对终端设备不会和人体接触而导致安全问题的情形采用非隔离电源可节约PCB尺寸，提高转换效率，降低产品成本，但也有一个明显缺陷的地方就是后面系统端设计者通过串口访问或者显示系统上电过程时，串口通路将会把用户端PC上的电网工频50Hz的干扰带入POE芯片上，这将会导致POE供电异常，从而导致PCB板启动失效。

具体地说，这里先看一下POE实现电源转换的过程和原理：以太网供电开始于能提供电源的供电设备(PowerSourcingEquipment，PSE)，该设备通过测量其PD(PoweredDevice，受电设备/终端)受电终端来检测需要供电的设备。

如图1所示，PSE可通过数据对给PD供电。由于DC和数据频率互不干扰，所以可以在同一对线路同时传输电流和数据。其实，对电缆来说可以看作一种“复用”。可以把网口RJ45的8个管脚中的1,2链接形成正(或负)极，把3,6链接形成负(或正)极，有的是4，5和7，8相组合形成供电线路通道。对于一个不确定的正负极供电的PSE，在PD受电终端就需要一个整流桥器件了。在确定送给PD电压正负极后，在能正确转换输出设计的电压之前，还需要经输入电压检测，主要是用来判断受电端是否是真正的PD芯片，一个有效的受电设备(PD)必须具有一个接近25kΩ共模电阻的“检测特征”，然后再经过分级判断PD所需要的实际电源功率。PSE用一个称为分级的第二次测量来判断PD的峰值功率要求，掌握了这一信息后PSE就能对那些需要供电的设备提供电源，而不会损坏不需要供电的设备，并能有效地分配可用功率。

PSE和PD通过检测、分级、上电三个过程来实现对后端PD转换芯片的输入供电。我们再看一下实际上电的启动过程波形，可以发现PSE不是一步到位就给PD加上48V电压的，其中在检测阶段：

在允许PSE向线路供电之前，它必须用一个有限功率的测试源来检查特征电阻，以避免将48V电源加给非兼容PoE的网络设备，对其造成危害。在加电之前，PSE首先用2.8V～10V的探测电压去侦测是否有PD接入。具体实施时，是将2.8V～10V之间的两个电压(图2、图3中的侦测电压1、侦测电压2，间隔在1V或以上)送到网络链路，然后根据得到的两个不同的电流值再作运算(ΔV/ΔI)。为了便于PSE识别，IEEE802.3af对于PD在侦测过程中的表现(特征)作了规定，例如AT标准中定义了在PSE提供2.7V的电压时电流为124uA。

再结合实际测量的波形来看，可以发现在检测阶段PSE提供的电压很小，比较容易被干扰，特别在非隔离电源系统中更容易被用户端从交流电网中带来的50Hz工频信号干扰。

图2为系统端没有接入串口接口到PC的PD芯片检测端的电压启动信号示意图，图3为系统端有接入串口接口到PC的PD芯片检测端的电压启动信号示意图，从以上两图可以看出当设计系统端接入串口时将会把用户调试端的交流电网中的50Hz工频信号干扰带进来，这将会影响PSE对PD设备是否存在的检测判断。有时将会进入反复检测过程，进而导致系统不能正常上电。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路，其可以避免由于系统端设计者通过串口访问或者显示系统上电过程时，串口通路将会把用户端PC上的电网工频50Hz的干扰带入PD芯片的检测端上，从而导致PD检测失败，进而导致PCB板上电启动失效的问题，同时可以保证串口信息打印的完整。

为达上述目的，本发明提出一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路，包括：

POE稳压电路,用于将来自以太网供电设备的极性未知的直流DC经整流后产生极性确知的高压输出，并将该高压输出转换为稳定的电压输出，同时将来自以太网的数据信息传输至系统电路；

主电压产生模块，用于将POE稳压电路输出的稳定电压转换为系统所需电压，并使该电压较POE稳压电路输出的稳定电压延时输出；

可控开关阵列，用于在该POE稳压电路的稳压输出建立初期将接口电路与系统电路、该主电压产生模块隔离，并于该POE稳压电路的稳压输出建立后或该系统电路启动后将该接口电路与主电压产生模块、该系统电路相连；

接口电路，用于与客户端通信或调试；

系统电路，用于系统控制以完成产品功能。

进一步地，该POE稳压电路包括：

网络接口，将来自以太网供电设备的极性未知直流DC连接至整流桥，并将数据信息连接至该系统电路；

整流桥，将极性未知直流DC整流后输出至POE稳压器的输入端，同时将来自以太网供电设备的检测信号整流后输出PD检测信号并连接至POE稳压器的检测端；

POE稳压器，用于产生稳定的输出电压至该主电压产生模块及该可控开关阵列。

进一步地，该网络接口为RJ45网络接口。

进一步地，把该RJ45网络接口的8个管脚中的1,2管脚连接形成正或负极，把3,6管脚连接形成负或正极，或者把4，5和7，8管脚相组合形成供电线路通道。

进一步地，该主电压产生模块包括：

系统电压产生电路，连接该POE稳压器输出端，用于将POE稳压器输出的稳定电压转换为系统所需电压，并输出至该系统电路电源端和可控开关阵列；

延时电路，连接该POE稳压器输出端与该系统电压产生电路使能端，控制该系统电压产生电路转换后的系统所需电压较该POE稳压器输出的稳定电压延时输出。

进一步地，该系统电压产生电路为DC/DC转换电路。

进一步地，该可控开关阵列包括可控开关及其驱动电路，其数据输入端连接至该系统电路的数据输出端，该可控开关阵列的输出连接至该接口电路的电源和数据接口。

进一步地，该可控开关阵列采用继电器或可控硅实现隔离切换。

进一步地，该接口电路采用UART接口。

进一步地，该POE稳压器为PD芯片转换部分，通过完成检测、分级、上电来实现POE的供电转换。

与现有技术相比，本发明一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路在通过RJ45网络接口供电之前将设计端的串口与调试端的PC隔离断开，从而先保证PD芯片的5V电压的输出，这样就可以避开由于系统端设计者通过串口访问或者显示系统上电过程时，串口通路将会把用户端PC上的电网工频50Hz的干扰带入PD芯片的检测端上，从而导致PD检测失败，进而导致PCB板上电启动失效的问题，同时可以保证串口信息打印的完整。

附图说明

图1为PSE通过数据对给PD供电的电路示意图；

图2为系统端没有接入串口接口到PC的PD芯片检测端的电压启动信号示意图；

图3为系统端有接入串口接口到PC的PD芯片检测端的电压启动信号示意图；

图4为本发明一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路的电路示意图；

图5为本发明具体实施例的POE稳压电路的示意图；

图6为本发明具体实施例的主电压产生模块的电路示意图；

图7为本发明具体实施例的可控开关阵列的电路示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

在说明本发明之前，首先需要了解为什么设计系统端会把交流电网中的50Hz工频信号干扰带到PD受电的输入检测端。

为此，首先在实际设计电路上，采用SiliconLab公司的Si3402-B-GM芯片来设计一款POE非隔离5V输出电源。

非隔离式电源输入和输出之间可以直接或者通过内部MOS切换形成电流回路，而且MOS管内部都会带有体内二级管，这主要是为防止在电路上有反向感生电压时，为反向感生电压提供通路，避免反向感生电压击穿MOS管，正是这个体内二级管将用户PC端交流电网中的50Hz工频干扰信号通过串口接口引入的，根据这一思路本发明设计了一种可以满足POE非隔离电源系统的串口设计电路。

图4为本发明一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路的电路示意图。如图4所示，本发明一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路包括POE稳压电路10、主电压产生模块20、可控开关阵列30、接口电路40以及系统电路50。

其中，POE稳压电路10包括RJ45网络接口、整流桥和POE稳压器，用于将来自以太网供电设备PSE的极性未知直流DC经整流桥整流后产生极性确知的高压输出如+48V，然后由POE稳压器将+48V高压输出转换为稳定的电压输出如+5V，同时将来自以太网的数据信息传输至系统电路；主电压产生模块20包括延时电路和系统电压产生电路，用于将POE稳压电路10输出的稳定电压输出在延时电路的控制下转换为系统所需电压如+3.3V，并使该电压较POE稳压电路10输出的稳定电压推后延时电路设定的时间输出；可控开关阵列30包括可控开关及其驱动电路，用于在POE稳压电路10的稳压输出建立初期将接口电路40与系统电路50、主电压产生模块20隔离，并于POE稳压电路10的稳压输出建立后或系统电路50启动后将接口电路40与主电压产生模块20和系统电路50相连，本发明中，可控开关例如继电器，也可以是可控硅，但不以此为限；接口电路40可以但不限于UART接口，用于与客户端PC通信或调试，系统电路50则用于系统控制以完成产品功能。

RJ45网络接口将来自以太网供电设备PSE的极性未知直流DC连接至整流桥，并将数据信息连接至系统电路50，整流桥将极性未知直流DC整流后输出+48V至POE稳压器的输入端，同时将来自以太网供电设备PSE的检测信号整流后输出PD检测信号并连接至POE稳压器的检测端，POE稳压器产生的稳定输出如+5V连接至延时电路、系统电压产生电路和可控开关阵列30，系统电压产生电路输出系统所需的主电压连接至系统电路50电源端和可控开关阵列30的电源输入端，可控开关阵列30的数据输入端连接至系统电路50的数据输出端，可控开关阵列30的输出连接至接口电路40的电源和数据接口。

在本发明具体实施例中，对于RJ45网络接口，把RJ45网络接口的8个管脚中的1,2链接形成正(或负)极，把3,6链接形成负(或正)极，或者是把4，5和7，8管脚相组合形成供电线路通道；对于一个不确定的正负极供电的PSE，在PD端需要一个整流桥器件将输入直流的模式整流固定为一种，也就是经整流桥后输出的电压的正负极就固定下来了；POE稳压器为PD芯片转换部分，其主要功能是完成检测、分级、上电三个过程来实现POE的供电转换；延时电路为电源延时使能部分，其主要功能为将PD转换芯片部分输出的5V电压进行其中一个通道路径上的延时，延时时间可以根据设计电路器件进行调整，一般可以延时到200ms，再将延时输出的高电平送给后面的低压5V转3.3V的DC直流转换芯片的使能端，可控制输出3.3V的时刻晚于5V供给后面可控开关阵列的继电器供电切换的时刻，同时可以保证串口信息打印的完整；系统电压产生电路为低压DC转DC部分，其主要功能为实现5V转CPU系统板所需要的3.3V。其使能端受电源延时使能部分控制；系统电路为整个产品功能特征部分，用来调试或者显示系统启动过程的串口信息就来源于系统电路；可控开关阵列30采用继电器隔离切换，其目的是保证整个产品在通过RJ45供电之前将设计端的串口与调试端的PC隔离断开，这一点本发明是通过继电器在默认没上电状态来保证的，从而先保证PD芯片的5V电压的输出，这样就可以避开由于后面系统端设计者通过串口访问或者显示系统上电过程时，串口通路将会把用户端PC上的电网工频50Hz的干扰带入PD芯片的检测端上，这将会导致PD检测失败，从而导致PCB板上电启动失效的问题；接口电路40采用UART接口，主要用来调试或者显示系统启动过程的串口信息。

图5为本发明具体实施例的POE稳压电路的示意图，图6为本发明具体实施例的主电压产生模块的电路示意图，图7为本发明具体实施例的可控开关阵列的电路示意图。具体地，延时芯片U4(MAX6820UT)、电阻R25-26、电容C30-32组成延时电路，电阻R20、R24用于连接输入和输出至POE输出和系统电压产生电路的控制使能端；DC/DC芯片U3(MP1470)、电容C24-C26、电阻R21-R23、R18、电感L3、电容DC1、C28-C29组成系统电压产生电路，电阻R19和电容C27用于补偿；三极管Q3、电阻R27-R29、电容C33组成可控开关阵列的驱动电路，K1-2为可控开关阵列；POE稳压芯片U2(Si3402)、电容C10-C23、电阻R11-R17、整流桥D1、D3、二极管D2、电感L2、磁珠FB1组成POE稳压电路10。

综上所述，本发明一种满足POE非隔离电源系统的串口设计电路在通过RJ45网络接口供电之前将设计端的串口与调试端的PC隔离断开，从而先保证PD芯片的5V电压的输出，这样就可以避开由于系统端设计者通过串口访问或者显示系统上电过程时，串口通路将会把用户端PC上的电网工频50Hz的干扰带入PD芯片的检测端上，从而导致PD检测失败，进而导致PCB板上电启动失效的问题，同时可以保证串口信息打印的完整。

任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。