PoE的高功率演進(jìn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）PoE以太網(wǎng)供電是一項(xiàng)歷史悠久被廣泛采用的供電技術(shù)，可以看到我們身邊和PoE相關(guān)的設(shè)備越來越多，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP電話、Wi-Fi連接的無線接入點(diǎn)和IP攝像頭等等，現(xiàn)在以太網(wǎng)供電PoE已經(jīng)成為幾乎所有企業(yè)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署的必備技術(shù)。

PoE市場演進(jìn)方向

傳統(tǒng)設(shè)備一般采用從市電通過適配器向設(shè)備供電這種模式，信號再通過網(wǎng)線單獨(dú)傳輸，PoE以太網(wǎng)供電則通過利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率，像互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP電話、IP攝像頭這些PoE設(shè)備就是通過100 m的標(biāo)準(zhǔn)CAT5以太網(wǎng)電纜實(shí)現(xiàn)電力和信號的傳輸，這類供電功率在25.5W和30W（接受/發(fā)送）水平。PoE以太網(wǎng)供電帶來的好處是顯而易見的，在成本、布線、遠(yuǎn)程控制、兼容性方面都很有競爭力。

從功率水平的演進(jìn)來看，1999年的PoL的10W，到IEEE 802.3af的15W，at的30W以及bt的90W，PoE功率的升級讓其適配的應(yīng)用也越來越多。尤其是802.3bt標(biāo)準(zhǔn)推出并引入了以太網(wǎng)聯(lián)盟EA徽標(biāo)計(jì)劃后，802.3bt可向后兼容802.3at和802.3af，一個(gè)較低功率802.3at或802.3af的PD設(shè)備可連接至一個(gè)較高功率802.3bt的PSE，并可通過4對以上CAT5E線纜最高提供90W功率輸出，PoE的應(yīng)用開始在各個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展。

PoE設(shè)備不再局限于IP電話、IP攝像頭這些小型應(yīng)用，現(xiàn)在如HMI、5G微基站等新的終端都開始使用PoE進(jìn)行供電傳輸，照明領(lǐng)域的PoE應(yīng)用的普及尤為快速，PoE設(shè)備不僅僅提供基礎(chǔ)的照明功能，還能夠集成多種傳感器，成為一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)，可以通過LED，PoE和KNX設(shè)備尋址，目前很多廠商都在關(guān)注這一領(lǐng)域的應(yīng)用。

PoE實(shí)現(xiàn)中的細(xì)節(jié)

PoE設(shè)計(jì)中供電設(shè)備PSE和受電設(shè)備PD的互操作性以及是否符合標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。實(shí)現(xiàn)PoE的整個(gè)流程分為四個(gè)部分，首先需要PSE判斷PD是否符合標(biāo)準(zhǔn)。如果符合標(biāo)準(zhǔn)，PSE就會和PD通信，確定PD需要的功率等級。確定功率等級后，PSE開始對PD進(jìn)行上電操作。上電后PSE會對PD進(jìn)行電源管理，一是功率上限管理，二是PD斷開后的PSE斷電管理。

在判斷PD是否符合標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)節(jié)，具體來看是PSE判斷負(fù)極輸出的接入電阻是否符合23.7K-26.3K這個(gè)區(qū)間，為了確保判斷的準(zhǔn)確性，PSE會產(chǎn)生兩次電壓或電流分別去測量電流或電壓，然后根據(jù)計(jì)算出的阻值判斷PD設(shè)備的合規(guī)性。

然后是功率分類階段，PSE會先把電壓升到15.5V-20.5V之間，判斷流出電流的大小，對PD等級進(jìn)行劃分。Class1-3只需要做一次判斷，整個(gè)環(huán)節(jié)最多需要做5次測量分類。PD設(shè)備在該環(huán)節(jié)做得就簡單很多，在Class電壓范圍內(nèi)通過一個(gè)LDO接一個(gè)電阻去產(chǎn)生一個(gè)對應(yīng)的電流。

到上電環(huán)節(jié)，PSE會對上電電流做限制，比如Class4最大的上電電流不能超過400mA。因?yàn)殡娏鬏^小，為了減小電容對PD輸入電壓的影響，PD的輸入電容不能超過120nF。但是后續(xù)的DCDC一般又需要較大的輸入電容，這就需要PD用一個(gè)MOSFET對PD的輸入電容和DCDC的輸入電容進(jìn)行隔離。等開始上電后，慢慢打開MOSFET對DCDC電容進(jìn)行充電，以滿足PSE對上電電流的要求。

雖然PSE對功率做了詳細(xì)劃分，但是每個(gè)功率等級還是有一定的范圍，當(dāng)PD需求的功率在兩個(gè)范圍之間時(shí)，PSE提供的功率會有一些浪費(fèi)。為了避免這個(gè)問題，802.3bt標(biāo)準(zhǔn)在推出時(shí)引入了自動分類功能。在第一次Class過程的最后時(shí)間，PD會把電流切換回Class0的功率等級，PSE檢測到該信號就會自動開啟該功能。在PSE完成大概的功率等級區(qū)分開始上電后，會在極短的時(shí)間內(nèi)讀取實(shí)際電流然后將功率進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整。

PoE設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在以前的PoE中，一個(gè)電源通道就足以為每個(gè)PoE端口供電，現(xiàn)在不僅增加了電源通道用以實(shí)現(xiàn)不同等級的電平，還需要提高每個(gè)通道的功率密度。隨著這些設(shè)備的發(fā)展，功能越來越多，尺寸越來越小，設(shè)計(jì)也在進(jìn)一步簡化。電源模塊是這些PoE設(shè)備的核心，如何減少電源模塊體積，體積減小后如何保證效率以及如何將溫升維持在需求范圍內(nèi)都是PoE設(shè)備設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)。

從PSE設(shè)計(jì)的角度來說，挑戰(zhàn)來自浪涌和電纜放電、系統(tǒng)級的隔離需求、LED照明支持、復(fù)雜802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的變更、端口混合設(shè)計(jì)、多樣的寄存器接口、熱效率以及功率輸出效率等，其交換芯片的上電延遲也極大影響了PSE是否會受到PD延遲影響。為了權(quán)衡尺寸、效率以及散熱，很多廠商選擇采用外部FET架構(gòu)來設(shè)計(jì)并為PSE系統(tǒng)保留可拓展性以便按照功率需求確定端口數(shù)量。

PD控制器也越來越多地開始集成高效率DCDC轉(zhuǎn)換器以簡化設(shè)計(jì)，除了提供更多的PD功率之外，采用外部功率MOSFET也能進(jìn)一步地大幅降低總體PD散熱量并提高電源效率。

小結(jié)

PoE利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。隨著PSE、PD設(shè)計(jì)在功率、尺寸、效率上更進(jìn)一步，PoE將在智能照明、醫(yī)學(xué)成像、數(shù)字標(biāo)牌等越來越多新型應(yīng)用領(lǐng)域里大展身手。