使用签名电阻设计 PoE 检测和分类电路
Power over Ethernet (PoE) 技术允许通过以太网电缆同时传输数据和电力，实现设备供电的简化部署。在 PoE 系统中，供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD) 之间需要严格的检测和分类过程，以确保安全可靠的电力传输。本文聚焦于使用签名电阻和分层电压协商的设计电路，强调核心工程基础，避免高级 802.3bt 实现中的复杂性。
PoE 检测阶段：签名电阻的作用
PoE 检测是整个供电流程的起点，PSE 通过施加低电压探针信号来识别 PD 的存在，避免向非 PoE 设备供电导致损坏。核心组件是 PD 端的签名电阻，通常为 25kΩ（精确范围 23.75kΩ 至 26.25kΩ），它模拟 PD 的阻抗特征。
在电路设计中，签名电阻连接在 PD 的输入桥式整流器后，形成一个并联路径。当 PSE 施加 2.8V 至 10V 的检测电压时，电流通过签名电阻流动，PSE 计算 ΔV/ΔI 以验证阻抗。如果阻抗匹配标准，PSE 确认 PD 存在；否则，拒绝供电。典型电路包括桥式二极管整流器（使用 1A、100V 二极管）和 0.1μF 至 0.12μF 的并联电容，以满足输入电容要求（0.02μF 至 0.12μF）。
证据显示，这种设计源于 IEEE 802.3af 标准，确保检测精度高达 95% 以上。实际参数：检测电压差至少 1V，电流不超过 5mA。清单包括：24.9kΩ 1% 精度电阻、TVS 二极管用于浪涌保护（耐压 58V）。
分类阶段：分层电压协商与电流表示
检测成功后，进入分类阶段，PSE 施加 15.5V 至 20.5V 的电压，PD 通过特定电流抽取表示功率需求，实现分层协商。分类电路使用齐纳二极管和电流源，确保在分类电压下 PD 呈现恒定电流，而不干扰检测。
例如，Class 0 PD 抽取 0mA（无分类），Class 1 为 9-12mA，对应最大 4W 功率。电路中，分类电阻 R_CLASS 连接到 CLASS 引脚，内部 LDO 提供 2.5V 基准电压，电流源（如 350μA 偏置）控制抽取电流。通过更改 R_CLASS 值（例如 69.8Ω 为 Class 2，17.77mA），可编程不同类别。
分层协商的关键是欠压锁定 (UVLO)，PD 在 30-40V 时保持锁定，避免干扰分类；超过 42V 时开启 MOSFET 开关。证据来自标准测试：在 18V 分类电压下，电流精度需 ±5%，确保 PSE 正确分配功率。参数清单：齐纳二极管击穿 9.1V、MOSFET 栅极限压 15V、RC 时间常数 10μs 用于软启动。
电路集成与可落地参数
完整电路整合检测、分类和电源转换。PD 输入端使用全桥整流（四个 1N4007 二极管），后接签名电阻和分类子电路。热插拔 MOSFET（如 NTD12N10，100V、12A）控制浪涌电流，限制在 140mA 初始、375mA 操作。
可落地参数：
- 签名电阻：24.9kΩ ±1%，功率 0.25W。
- 分类电流源：使用 TL431 参考和 NPN 晶体管，输出 10-40mA 可调。
- 输入滤波：π 型滤波器，L=100μH，C=10μF。
- 保护：过流阈值 400mA，热关断 150°C。
- 监控：PSE 持续监测 MPS（Maintain Power Signature），每 400ms 脉冲确认连接。
实施清单：
- 选择兼容 IEEE 802.3af/at 的芯片，如 LTC4267（集成签名和控制器）。
- 模拟检测：使用多用表验证 25kΩ 阻抗。
- 测试分类：施加 18V，测量电流匹配类。
- 集成 DC-DC：Flyback 或 Buck 转换 48V 至 5V/3.3V，效率 >80%。
- 故障回滚：若分类失败，重试检测；过流时断开 1s。
这种设计强调简单硬件集成，适用于 IP 电话或摄像头等低功率 PD。
安全监控与风险缓解
安全是 PoE 的核心，分层协商防止电压突变损坏设备。PSE 监控电流：正常 <350mA，异常（如短路）立即切断。PD 端 UVLO 和双级限流（140mA 充电、375mA 操作）限制浪涌。
风险包括电阻漂移导致误检测，使用温度补偿电阻缓解；高电容负载引起过流，添加 100μH 电感限流。监控要点：日志 PSE 事件，阈值警报 >80% 功率。
通过这些基础电路，PoE 实现可靠电力交付，支持物联网扩展。
资料来源：IEEE 802.3af/at 标准；电子设计文章（edn.com PoE 基础）；CSDN 和 Elecfans 技术博客。