互聯(lián)的設(shè)備依賴于兩個(gè)核心功能，即通信回傳和電源。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)三個(gè)核心問(wèn)題：電源、通信和安全性。像 WiFi 這樣的無(wú)線技術(shù)已在市場(chǎng)上引起了人們的關(guān)注多年，但卻為這三個(gè)問(wèn)題困擾。無(wú)線電池供電的設(shè)備需要定期充電，WiFi 的頻段飽和。這是當(dāng)今兩個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。較大的功率需求需要主電源連接，這使安裝點(diǎn)復(fù)雜并受到限制。

以太網(wǎng)供電（PoE）經(jīng)現(xiàn)有以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供靈活性、可靠性、安全性和電源來(lái)解決這些問(wèn)題。自從 2003 年由 IEEE 首次發(fā)布以來(lái)已取得了飛躍性的發(fā)展。最新的 IEEE 802.3bt 批準(zhǔn)使其成為市場(chǎng)上的佼佼者，通過(guò) Cat5 / Cat6 電纜提供 10G-BASE-T 和 60W 至 90W 的功率。

提升的功率

最初，Type 1 電源設(shè)備（或 PSE）只能提供最高 15.4 W 的功率，Type 2 增加了一倍，達(dá)到 30 W?，F(xiàn)在，2018 年 9 月發(fā)布的 Type 3 和 Type 4 的功率分別達(dá)到 60 W 和 90 W。這打開(kāi)了啟用互聯(lián)設(shè)備世界的大門(mén)，這些設(shè)備包括無(wú)線和蜂窩基站、平移傾斜變焦（PZT）和半球攝像機(jī)、電視、交互式顯示器和信息站。單根低壓電纜同時(shí)配以專用高速通信，使布線更少，是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的智能樓宇維護(hù)和安裝的理想選擇。

以太網(wǎng)供電是有線通信和供電系統(tǒng)，使用現(xiàn)有的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為端點(diǎn)設(shè)備供電。在這些系統(tǒng)中，電源設(shè)備（PSE）經(jīng)由八根電線提供電源，這些電線布置成四對(duì)雙絞線（Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a）電纜，采用 RJ45 型連接器連接到受電設(shè)備（PD）。PSE 向端點(diǎn)提供高達(dá) 57 V 的電壓。由于該電壓小于 60 V，因此符合安全特低電壓指令（SELV），使電氣安全，并且不需要有資質(zhì)的電工或掩埋電纜，從而簡(jiǎn)化了安裝和維護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)將每個(gè)端口的功率限制為 90W，使這成為以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)淖畲蠊β省?/p>

該標(biāo)準(zhǔn)最初定于 2017 年發(fā)布，在正式發(fā)布之前不斷更新，以確保與以前的版本兼容。PoE 規(guī)范的最新更新 IEEE 802.3bt 引入了 Type 3 和 Type 4 電源設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備（PD）。為了提供更高的電流，新標(biāo)準(zhǔn)允許同時(shí)使用兩種功率模式（模式 A 和模式 B），通常稱為 4 對(duì)或 4PPOE，經(jīng)由 4 對(duì)而不是 Type 1 和 Type 2 供電。

添加的 3 類，即 5 至 8 類，具有改進(jìn)的相互識(shí)別過(guò)程和自動(dòng)分類功能。此更新還帶來(lái)了更低的待機(jī)功耗，并支持 10G-BASE-T 和 PoE。

用 PoE 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)受電設(shè)備時(shí)，要考慮許多功能，包括運(yùn)行模式、PD 檢測(cè)和分類。為了避免損壞非 PoE 設(shè)備，PSE 必須在提供電源之前檢測(cè)是否已連接受電設(shè)備。使用有效特征檢測(cè) PD 模式，并在受電設(shè)備中使用 25kΩ電阻去實(shí)施。當(dāng) PSE 提供兩個(gè)連續(xù)的電壓（V1 = 2.7 V 和 V2 = 10.1 V）用于電阻檢測(cè)時(shí)，它記錄電流值，確定 PD 的存在，然后激活為設(shè)備供電。圖 1 描繪了啟動(dòng)期間的電阻檢測(cè)階段。

啟動(dòng)階段的波形

在分類階段，確定受電設(shè)備的最大功率要求。連接到 PD 的 PoE 控制器的另一個(gè)電阻指示功率范圍。表 1 顯示了單特征 PD 的不同類別及其最大平均功率。類別不要與 Type 混淆，它涉及所連接設(shè)備的特定功率。在 IEEE 802.3af / at（Type 1 和 Type 2 設(shè)備）中，使用了單特征 PD。IEEE 802.3bt 添加了雙特征 PD，其中每種模式或替代方案（A 和 B）使用單獨(dú)的輸入橋式整流器和 PD 控制器。

可選的分類擴(kuò)展是自動(dòng)分類。在“自動(dòng)分類”中，PSE 會(huì)測(cè)量特定時(shí)間段內(nèi)連接的 PD 的功耗，從而可以確定 PD 所需的最大功率。自動(dòng)分類絕不會(huì)使用雙特征 PD 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

列出了新類別和類型在受電設(shè)備接收到的功率以及每種類型支持的模式。

表 1：?jiǎn)翁卣?PD 的最大平均功率

一旦檢測(cè)到受電設(shè)備并確定了類別，它就必須保持電源特征。對(duì)于 Type 1 和 Type 2 設(shè)備，所需的最小功率特征為 10mA，占空比為 20％。為了使端口保持激活狀態(tài)，浪費(fèi)了至少 2.31 mA 的平均電流。在 50 V 時(shí)，達(dá)到 115 mW，在更大的部署中很快地相加。對(duì)于 Type 3 和 Type 4 供電設(shè)備，占空比降低到 1.875％，這使得每個(gè)設(shè)備的功率小于 10 mW，從而使待機(jī)功耗降低了 90％。

在網(wǎng)絡(luò)上存在大量設(shè)備的互聯(lián)照明應(yīng)用中，嚴(yán)格要求 MPS。即使對(duì)無(wú)線回傳、Wi-Fi 接入點(diǎn)和安防攝像頭等始終在線的設(shè)備來(lái)說(shuō)，它也是必需的，即使不那么關(guān)鍵。

PoE 模式

功率分配分為三種模式：模式 A、模式 B（也稱為替代 A 和替代 B）和 4 對(duì)。對(duì)于 10BASE-T / 100BASE-TX，在模式 A 下，電源與數(shù)據(jù)對(duì) 1-2 和 3-6 同時(shí)傳送。模式 B 由備用對(duì) 4-5 和 7-8 供電。在 1000BASE-T 應(yīng)用（四對(duì)）中，模式 A 和模式 B 的電力也同時(shí)由 4 對(duì)傳輸。使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭提取共模電壓，然后 DC - DC 轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

圖 2 所示是 Type 1 和 Type 2 應(yīng)用的模式 A 和模式 B 供電。圖 3 描繪了 Type 3 和 Type 4 中 4 對(duì)模式的接線。

圖 2：模式 A 和模式 B PoE 功率傳輸

圖 3：4 對(duì) PoE 功率傳輸

在設(shè)計(jì)使用 PoE 的設(shè)備時(shí)，考慮互連電纜很重要。以太網(wǎng)的電纜長(zhǎng)度最大為 100 m，它具有直流電阻，同時(shí)會(huì)降低電壓并因發(fā)熱而耗散功率。5 類或 Cat5 電纜是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中使用的雙絞線電纜，用于在 PoE 網(wǎng)絡(luò)中供電。它支持高達(dá) 100 Mhz，適用于 10/100 / 1000BASE-T。類別 6 或 Cat6 是對(duì) Cat5 電纜的改進(jìn)，并支持高達(dá) 500 Mhz，適用于 10GBASE-T 以太網(wǎng)速度。

一根 100m 的 Cat5 電纜的直流電阻為 12.5Ω，其中 Cat6 的電纜每 100m 的直流電阻為 7Ω。傳輸損耗隨著差分對(duì)中電流的增加而增加。在 25 W PD 的典型輸入電壓為 50 V 的情況下，電流為 0.5A。這在 Cat5 中的傳輸損耗總計(jì)為 2.5 W，在 Cat6 中的傳輸損耗總計(jì)為 1.75 W，這些損耗因發(fā)熱而耗散。對(duì)于 90 W 的設(shè)備，此傳輸損耗在四對(duì)之間共享，每對(duì)為 930 mA，PSE 至少為 52V。在 Cat5 中為 17.30 W，在 Cat6 中為 2x6.05W。這表明 Cat5 對(duì)于任何應(yīng)用都是足夠的和安全的。

聯(lián)接

安裝時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮布線。必須計(jì)算電纜長(zhǎng)度和設(shè)備電源之間的折衷，以提高能效和降低電纜損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

Diode Bridge：二極管橋

Total Solution Size：總方案尺寸

圖 4：GreenBridge?方案對(duì)比二極管橋

受電設(shè)備控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過(guò)附加的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié) PD 側(cè)的輸入電壓。二極管橋是用于典型 PoE 設(shè)備的一種低成本方案。這些在低功率設(shè)備上就足夠了，但是隨著功率的增加，這方案變得有問(wèn)題。在 25.5 W，最小 42.5 V 的情況下，估計(jì) 0.6 A 電流流經(jīng)二極管橋。每個(gè)二極管的正向電壓為 0.7 V，每個(gè)二極管的功率損耗為 420 mW。對(duì)于 90 W 系統(tǒng)，現(xiàn)在的電流為 3.7 A，每個(gè)二極管的功率損耗為 2.59W。

MOSFET 方法比常規(guī)二極管橋改善了導(dǎo)通損耗和能效。安森美半導(dǎo)體的第一代 GreenBridge 系列集成雙 P 溝道和雙 N 溝道 MOSFET（FDMQ8203）系列提供緊湊且熱增強(qiáng)的表面貼裝封裝，可以很好地解決此問(wèn)題。導(dǎo)通損耗與 MOSFET 的 RDS（ON）值有關(guān)。對(duì)于 25 W 系統(tǒng)，在 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 的 RDS（ON）分別為 110mΩ和 190mΩ的情況下，計(jì)算出耗散功率為 115 mW。這是二極管電橋功耗的四分之一。在 90W 的示例中，3.7 A 的導(dǎo)通損耗為 354 mW，低至二極管方案的 13％。這節(jié)省看似相對(duì)較小，但是在使用數(shù)百個(gè) PoE 傳感器的樓宇管理系統(tǒng)中，這差異可能是顯著的。

第二代 Quad MOSFET 方案（FDMQ8025A）提供更高的額定功率、高能效的橋式整流器以及必要的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，采用與第一代相同的小 MPL 4.5 x 5mm 封裝，，和小得多的 RDS（ON），N 溝道 MOSFET 僅 35mΩ，P 溝道 MOSFET 僅 76mΩ。

Power Current Path：電源電流路徑

Gate Current Path：門(mén)極電流路徑

圖 5：GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET 方案

安森美半導(dǎo)體還提供 PoE-PD 接口控制器，任何設(shè)備都可成為兼容 802.3af / at 和 -3bt 的受電設(shè)備。NCP1095 和 NCP1096 接口控制器含在 PoE 系統(tǒng)中運(yùn)行所需的所有功能，如浪涌階段的檢測(cè)、分類、自動(dòng)分類和電流限制。兩個(gè)控制器采用內(nèi)部 / 外部傳輸晶體管，支持高達(dá) 90 W 的功率。它們還指示何時(shí)可以實(shí)施簡(jiǎn)短的維持電源特征。附加的輔助電源檢測(cè)支持由 PoE 或墻式適配器供電。

NCP1095GEVB 和 NCP1096GEVB 評(píng)估板使設(shè)計(jì)工程師可以快速評(píng)估兩個(gè)控制器的運(yùn)行，然后實(shí)施有助于設(shè)計(jì)過(guò)程的物理設(shè)計(jì)。它們包括 GreenBridge2 有源橋、RJ45 連接器和局域網(wǎng)（LAN）變壓器。

圖 6：NCP1095GEVB / NCP1096GEVB 評(píng)估板

總結(jié)

最新批準(zhǔn)的 IEEE 802.3bt 以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)為更多耗電設(shè)備打開(kāi)了市場(chǎng)，為性能更高的應(yīng)用開(kāi)啟了大門(mén)。功耗的增加帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，可以采用安森美半導(dǎo)體的精妙的 PoE-PD 方案來(lái)解決，該方案集成 GreenBridge 有源橋 Quad MOSFET 和易于實(shí)施的 PoE-PD 控制器。這些降低了新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)并縮短了上市時(shí)間，使以太網(wǎng)供電成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)因素。
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