數(shù)據(jù)+電源混合傳輸：一根數(shù)據(jù)線的升級(jí)之路

今天人們對(duì)于一根數(shù)據(jù)線的要求，除了能夠支持更高的傳輸速率，還需要能夠承擔(dān)起電能輸送的職責(zé)，在這方面我們最熟悉的一個(gè)例子就是 USB，目前 USB-PD 協(xié)議可承載最高 100W 的功率傳輸。

這種“數(shù)據(jù)+電源”的混合傳輸?shù)暮锰庯@而易見(jiàn)，它能夠讓我們擺脫煩人的電源線，用一根線纜就可以滿足兩個(gè)需求，給用戶帶來(lái)更大的自由度。不過(guò) USB 傳輸?shù)木嚯x有限，通常也就是 1-2 米以內(nèi)，如果你希望在一個(gè)更大范圍的局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)這種“數(shù)據(jù)+電源”的混合傳輸體驗(yàn)，就需要以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)來(lái)幫忙了。

實(shí)際上 PoE 的基本思路與 USB-PD 是相同的，它們都是在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用空閑線路或信號(hào)線路為終端接入設(shè)備供電。只要我們稍微打開(kāi)一點(diǎn)腦洞，就不難想象出 PoE 的典型應(yīng)用，比如樓宇自動(dòng)化中的視頻監(jiān)控、智能照明等，想添加一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，只需要預(yù)留一個(gè) RJ-45 以太網(wǎng)口就行了，而無(wú)需專門布設(shè)市電網(wǎng)絡(luò)，這給用戶帶來(lái)的價(jià)值是顯而易見(jiàn)的。

PoE 標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)之路

正是因?yàn)椤昂苡杏谩?，所以人們就開(kāi)始琢磨如何讓其“商用”，而大規(guī)模商用一個(gè)重要的前提就是要將這個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，于是有了 IEEE 802．3 這個(gè)定義了 PoE 各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，由此也解決了不同設(shè)備間兼容性的問(wèn)題。

正如其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一樣，IEEE 802．3 也在不斷的進(jìn)化中根據(jù)市場(chǎng)需求的變化為自己增添新的技能。

第一代 PoE 的標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802． 3af 是在 2003 年發(fā)布的，基于當(dāng)時(shí)人們對(duì) PoE 應(yīng)用場(chǎng)景的認(rèn)識(shí)，這一版標(biāo)準(zhǔn)給 PoE 的定位就是:可以讓 PSE 設(shè)備(集成在路由器、交換機(jī)和集線器中)通過(guò)以太網(wǎng)電纜向 IP 電話等 PD 設(shè)備提供不超過(guò) 15W 的直流功率。15W 這樣的功率水平，以今天的視角來(lái)看，確實(shí)有些保守。

很快，隨著越來(lái)越多樣的設(shè)備接入到以太網(wǎng)中，人們逐漸感覺(jué)到“電不夠用了”。于是 2009 年發(fā)布的第二代 PoE 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802．3at，就將提升供電功率作為了一個(gè)主要的升級(jí)目標(biāo)。這個(gè)被稱為 PoE+的標(biāo)準(zhǔn)果然不負(fù)眾望，將 PoE 支持的最大功率提升到了 30W(通過(guò) CAT-5 或更高級(jí)別線纜提供)。

市場(chǎng)在持續(xù)發(fā)展中，一個(gè)有生命力的標(biāo)準(zhǔn)也不會(huì)原地踏步。2018 年 9 月，第三版(也是最新一版)的 PoE 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802．3bt 正式發(fā)布。通過(guò)深度挖潛，IEEE 802．3bt 嘗試在以太網(wǎng)電纜的 8 根導(dǎo)線(4 對(duì)導(dǎo)線)上都加載電壓，充分利用了網(wǎng)線的功率承載能力，將 PoE 可以傳輸?shù)淖畲蠊β侍嵘?90W。這個(gè)功率水平，基本上可以滿足如今大多數(shù)中功率電子產(chǎn)品的要求了，也讓 PoE 可以覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展。

而且在最新的 IEEE 802．3bt 中，還增加了一個(gè)名為 Autoclass 的新特性。顧名思義，Autoclass 實(shí)際上是一種自動(dòng)檢測(cè) PD 用電設(shè)備的實(shí)際功率消耗，并對(duì)其進(jìn)行功率分級(jí)的機(jī)制，PSE 供電設(shè)備可以根據(jù) PD 的實(shí)際耗電要求按需提供電能，通過(guò)更精確的控制實(shí)現(xiàn)更高的效率。與此同時(shí)，IEEE 802．3bt 還增加了兩種 PoE 設(shè)備類型(Type 3 和 Type 4)以及 4 種功率等級(jí)的定義，這實(shí)際上都有助于 PoE 在增加產(chǎn)品覆蓋的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更為智能的控制，讓 PoE 擁有更高的功率水平的同時(shí)(所謂“更高能”)，也變得“更智能”。鑒于 IEEE 802．3bt 這種全面的能力提升，人們也將其稱為“PoE++”

新標(biāo)準(zhǔn)的新方案

新標(biāo)準(zhǔn)的落地，必須有與之配套的產(chǎn)品和方案的支撐，PoE++也不例外。伴隨著 PoE++自身能提升，其應(yīng)用范圍也還在進(jìn)一步擴(kuò)展(特別是在 PD 用電設(shè)備端)，新的解決方案必須考慮得更為周全和長(zhǎng)遠(yuǎn)。

在 PoE 系統(tǒng)中，PSE 和 PD 設(shè)備之間供電通道的建立，是通過(guò)一個(gè)握手協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)協(xié)議將在檢測(cè)、分級(jí)、供電、維護(hù)這樣一個(gè)完整的過(guò)程中負(fù)責(zé)兩者之間的通信和控制。與之對(duì)應(yīng)的 PoE 協(xié)議管理，是通過(guò)一顆 PD 控制器芯片來(lái)完成的，而想要實(shí)現(xiàn) PoE++這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，也就需要有全新的 PD 控制器來(lái)支持。

在符合 PoE++的 PD 控制器研發(fā)方面，安森美半導(dǎo)體是動(dòng)作比較快的一家。在 2019 年 9 月，他們推出了符合 PoE++標(biāo)準(zhǔn)的 PD 控制器

NCP1095 和 NCP1096，這兩顆料不僅支持新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求，包括新增的 Autoclass 能量管理特性，還向后兼容原有標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還支持將功率擴(kuò)展到 100 W，可以滿足一些特定應(yīng)用的要求。

除了需要通過(guò)全新的 PD 控制器“讀懂”新協(xié)議，隨著功率的提高，高能效設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)也更為突出。這也就需要為 PoE++的產(chǎn)品中引入一些新的解決方案。

比如在 PoE 應(yīng)用中，有時(shí)候 PSE 設(shè)備會(huì)配備不間斷電源(UPS)，這時(shí)在 PD 端就需要用一個(gè)橋接電路來(lái)調(diào)節(jié)輸入電源的極性。以往簡(jiǎn)單的二極管橋接設(shè)計(jì)是最普遍的方法，它提供了一個(gè)可靠而低成本的方案。但是隨著 PD 所需功率的增加，正向壓降引起的二極管橋的導(dǎo)電損耗就成了一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。對(duì)此，安森美半導(dǎo)體給出的新方案就是使用 GreenBridge 四通道 MOSFET 替代二極管橋，來(lái)降低橋路的功率損耗。

以符合 PoE++標(biāo)準(zhǔn)的 GreenBridge 器件 FDMQ8205 為例，其中包含兩個(gè) N 溝道和兩個(gè) P 溝道 100V 級(jí) MOSFET，以及所有必要的門極驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需外部電路來(lái)驅(qū)動(dòng)或保護(hù)，同時(shí)具有更低的 RDS(on)。與傳統(tǒng)的二極管橋方案相比，基于 FDMQ8205 的 PoE 方案的功耗可降低 10 倍，而整體系統(tǒng)尺寸僅有傳統(tǒng)方案的 1/4。

隨著人們對(duì)最新 PoE 標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知，未來(lái)也會(huì)有越來(lái)越多的新方案出現(xiàn)，最終為 PoE++的成熟商用鋪平道路。盡管如今在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，無(wú)線通信仍然是最吸睛的存在，但是基于以太網(wǎng)的互聯(lián)應(yīng)用依然有很堅(jiān)實(shí)的市場(chǎng)基礎(chǔ)，PoE 的發(fā)展無(wú)疑會(huì)為這些有線互聯(lián)應(yīng)用提供一個(gè)有力的支點(diǎn)。面對(duì)這樣的市場(chǎng)機(jī)遇，你是不是也有興趣來(lái)嘗試一下呢?

審核編輯 黃昊宇