如何設(shè)計(jì)用于物聯(lián)網(wǎng)的以太網(wǎng)供電受電設(shè)備(PoE-PD)？

【導(dǎo)讀】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)常見的問題。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。現(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。這打開了啟用互聯(lián)設(shè)備世界的大門，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。

圖1：?jiǎn)?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)。

表1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)翁卣鱌D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，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

受電設(shè)備控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過附加的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。

圖5：GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案

Power Current Path：電源電流路徑

Gate Current Path：門極電流路徑

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。

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)備打開了市場(chǎng)，為性能更高的應(yīng)用開啟了大門。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。

編輯：jq