使用以太網(wǎng)供電返回辦公室

介紹

IEEE最新的以太網(wǎng)供電（PoE）標(biāo)準(zhǔn)，也稱為PoE 2或802.3bt（以前稱為PoE ++），剛剛成立3歲，但其應(yīng)用仍然比以往任何時(shí)候都更強(qiáng)大。盡管由于 2019 年冠狀病毒病 （COVID-19） 導(dǎo)致遠(yuǎn)程工作有所增加，但每年部署的供電以太網(wǎng)端口數(shù)量仍在繼續(xù)增加。雇主一直在利用空辦公桌并將IT基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)到面向未來(lái)的工作場(chǎng)所，希望他們最終能夠恢復(fù)滿員。創(chuàng)建智能辦公室涉及為辦公空間配備連接到互聯(lián)網(wǎng)的多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括會(huì)議室標(biāo)牌、電話會(huì)議設(shè)備和各種傳感器。智能辦公室的好處包括節(jié)能、簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)，也許最重要的是，提高員工的工作場(chǎng)所安全性。COVID-19 只會(huì)加速對(duì)控制良好的建筑供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC） 系統(tǒng)以及眾多非接觸式公共物品的需求，迫使設(shè)施和 IT 經(jīng)理協(xié)作和部署支持 PoE 的系統(tǒng)。據(jù)650集團(tuán)市場(chǎng)研究公司稱，到2025年，全球出貨的交換機(jī)/PoE端口數(shù)量預(yù)計(jì)將超過(guò)1.5億個(gè)。

當(dāng) PoE 2 于 2018 年獲得批準(zhǔn)時(shí)，它為用電設(shè)備 （PD） 提供的功率高達(dá) 71.3 W，幾乎是之前標(biāo)準(zhǔn)的 25.5 W 的三倍。 PoE 2 允許通過(guò)千兆以太網(wǎng)通過(guò)同一根電纜發(fā)送電源，為許多昨天、今天和未來(lái)的電力和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，包括遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)和熱像儀，用于在人員進(jìn)入入口前篩查 COVID-19工作現(xiàn)場(chǎng)。

圖 1 顯示了一個(gè)基本的 PoE 框圖，其中單個(gè) PD 連接到供電設(shè)備 （PSE）。在過(guò)去的幾代 PoE 中，單個(gè)電源通道足以為每個(gè) PoE 端口供電。快進(jìn)到 802.3bt，其中每個(gè)端口需要兩個(gè)電源通道來(lái)實(shí)現(xiàn)中高功率水平，還需要考慮每個(gè)通道更高的功率密度。全球以太網(wǎng)市場(chǎng)見(jiàn)證了支持 PoE 的端口的滲透率不斷提高。所有這些因素導(dǎo)致IT部門需要部署大量高功率密度、高端口數(shù)的系統(tǒng)，同時(shí)要求五個(gè)9的正常運(yùn)行時(shí)間（99.999%）和可靠性。一個(gè)真正可擴(kuò)展的 PoE 子系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化高端口數(shù)、支持 PoE 的交換機(jī)的部署，這早就應(yīng)該了。

圖1.以太網(wǎng)供電框圖。

作為PoE的先驅(qū)、IEEE 802.3bt任務(wù)組的成員以及以太網(wǎng)聯(lián)盟的積極參與者，ADI公司長(zhǎng)期以來(lái)一直是業(yè)內(nèi)首屈一指的PSE和PD控制器供應(yīng)商，為當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)部署的數(shù)億個(gè)端口做出了貢獻(xiàn)。剛剛發(fā)布的ADI LTC9101、LTC9102和LTC9103高端口數(shù)PSE芯片組以及ADI的任何PoE 2 PD控制器使開(kāi)發(fā)人員能夠提供完整的端到端PoE 2系統(tǒng)。讓我們仔細(xì)看看是什么讓這個(gè)新平臺(tái)在當(dāng)今市場(chǎng)上與眾不同。

基于平臺(tái)的 PSE 設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代交換機(jī)是高度復(fù)雜的系統(tǒng)，通常暴露在惡劣的環(huán)境條件下，包括浪涌和電纜放電事件，并且必須提供高系統(tǒng)可靠性和正常運(yùn)行時(shí)間。過(guò)去的 PSE 架構(gòu)方法從組件級(jí)別看待 PSE 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，專注于增量組件改進(jìn)，而這些改進(jìn)不一定能優(yōu)化集體系統(tǒng)性能。從更高層次看待PSE子系統(tǒng)迫使ADI的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)重新思考PSE范式并提供系統(tǒng)級(jí)解決方案。LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 和未來(lái)的衍生產(chǎn)品將采用這種系統(tǒng)級(jí)方法，將數(shù)字和模擬組件整體組合在一起，以解決系統(tǒng)集成商面臨的 PSE 挑戰(zhàn)，包括表 1 中列出的挑戰(zhàn)。

LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 是專為 PoE 2 系統(tǒng)從基板向上設(shè)計(jì)的自隔離 PSE 控制器芯片組的一部分。圖 2 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的原理圖，以及如何為多達(dá) 48 個(gè)以太網(wǎng)端口中的一個(gè)供電。該芯片組最新穎的特點(diǎn)是其集成隔離。因此，芯片組架構(gòu)，其中 LTC9101 為 PSE 主機(jī)提供一個(gè)隔離的數(shù)字接口，而多個(gè) LTC9102 和/或 LTC9103 則提供高壓模擬以太網(wǎng)接口。802.3 以太網(wǎng)規(guī)范要求網(wǎng)段（包括 PoE 電路）與機(jī)箱接地和 PHY 電氣隔離。通過(guò)將 LTC9101 放在非隔離側(cè)，將 LTC9102 或 LTC9103 放在隔離側(cè)，最多六個(gè)昂貴的光耦合器和一個(gè)隔離電源被一個(gè)更便宜、更可靠的 10/100 以太網(wǎng)變壓器所取代。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)省成本，還可以實(shí)現(xiàn)更堅(jiān)固和可制造的PSE設(shè)計(jì)。

圖2.LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 PoE 2 24 端口 PSE 芯片組的簡(jiǎn)化原理圖。

這種可擴(kuò)展的解決方案能夠靈活地實(shí)施大型 PSE 系統(tǒng)，從 4 到 48 個(gè)端口不等，具體取決于每個(gè)端口需要多少功率。每種設(shè)計(jì)都需要至少一個(gè) LTC9101 數(shù)字控制器和一個(gè)或多個(gè) LTC9102 / LTC9103 模擬控制器。

LTC9102 提供 12 個(gè)電源通道，其中每個(gè)通道為以太網(wǎng)電纜中的四對(duì)電線中的兩對(duì)供電，為從 12 個(gè) 30 W 端口（每個(gè)端口使用一個(gè)電源通道）到 6 個(gè) 90 W 端口（每個(gè)端口使用兩個(gè)電源通道）的任何端口供電。

同樣，LTC9103提供8個(gè)電源通道，可用于為8個(gè)30 W端口至4個(gè)90 W端口等任何端口供電。

單個(gè) LTC9101 可管理多達(dá) 4 個(gè)可混合和匹配的 LTC9102 和 / 或 LTC9103。例如，一個(gè)LTC9101、一個(gè)LTC9102和兩個(gè)LTC9103可用于實(shí)現(xiàn)具有4個(gè)90 W端口和20個(gè)30 W端口的24端口PSE，如圖3所示。

圖3.LTC9102/LTC9103混合匹配實(shí)現(xiàn)示例：24 端口 PSE，具有 4 個(gè) 90 W 端口和 20 個(gè) 30 W 端口。

IT 和設(shè)施經(jīng)理都將欣賞 LTC9101 的第六代數(shù)字功能，包括用于存儲(chǔ)固件更新和定制用戶配置包的內(nèi)部 eFlash、向后兼容 LTC4291 4 端口 PoE 2 PSE 驅(qū)動(dòng)器，以及 I2C 串行接口。LTC9101 的現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)固件映像存儲(chǔ)在專用閃存分區(qū)中，其中預(yù)配置了一個(gè)完全兼容的 IEEE 802.3at/bt 固件映像。固件映像的兩個(gè)完整副本在單獨(dú)的 ECC 和 CRC 保護(hù)下進(jìn)行維護(hù)，以實(shí)現(xiàn)最大的數(shù)據(jù)保護(hù)。成功啟動(dòng)芯片組后，用戶可以通過(guò)LTC9101的I進(jìn)行配置并與芯片組通信2C 接口，其中每個(gè)端口可以獨(dú)立配置為四種 PSE 操作模式（自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)或關(guān)機(jī)）之一，端口電流、PoE 電源電壓和端口電源的遙測(cè)讀數(shù)可用于管理系統(tǒng)電源。

LTC9101 是芯片組的大腦，而 LTC9102 / LTC9103 則以多種方式為高壓電源路徑提供高效率和耐用性。每個(gè) LTC9102 / LTC9103 電源通道均采用專用的檢測(cè)和分類硬件實(shí)現(xiàn)。這允許所有端口同時(shí)檢測(cè)、分類和上電，從而大大減少交換機(jī)上的上電延遲。其他不太高級(jí)的 PSE 作為 PD 會(huì)受到明顯的延遲;例如，LED 燈以串行端口為基礎(chǔ)供電。LTC9102 / LTC9103 使用一個(gè)外部 MOSFET 控制每個(gè)電源通道，從而允許用戶選擇低 RDS（ON）組件，降低功耗，并解耦通道故障。使用0.1 Ω檢測(cè)電阻進(jìn)一步有助于降低功耗。

在發(fā)生過(guò)流故障或端口短路時(shí)，LTC9102/LTC9103 可在 ~1 μs 內(nèi)快速斷電，以保護(hù) PSE、MOSFET 和下游電路。此外，所有面向端口的引腳均可承受高達(dá)+80 V或低至–20 V的電壓瞬態(tài)事件，而不會(huì)造成損壞。也許最令人印象深刻的是，根據(jù)IEC 61000-4-5浪涌抗擾度規(guī)范（DC3160演示板展示了此功能），該芯片組能夠以最少的外部組件在超過(guò)±6.5 kV的浪涌下工作。在任何故障之后，LTC9102 / LTC9103 都會(huì)以一種安全、電流受限的方式快速重新接通 MOSFET，同時(shí)最大限度地減少對(duì) PD 的中斷，這對(duì)于最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。

PoE 2 拓?fù)?、檢測(cè)方案和功率等級(jí)

PoE 2 引入了兩種不同的 PD 簽名配置，即單簽名和雙簽名 PD。單特征 PD（圖 4）是一種 PoE 2 PD，它在兩個(gè)對(duì)集之間共享相同的檢測(cè)特征和分類特征。雙特征 PD 是 PoE 2 PD，每個(gè)對(duì)集上都有一個(gè)獨(dú)立的簽名，允許每個(gè)對(duì)集具有完全獨(dú)立的分類和功率分配。雙特征PD是復(fù)雜的解決方案，其成本是單特征PD的兩倍。值得注意的是，802.3bt 雙特征 PD 并不等同于預(yù)標(biāo)準(zhǔn)的 UPoE 設(shè)備，盡管共享一個(gè)通用架構(gòu)。LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 支持穩(wěn)健的 PoE 2 PD 檢測(cè)過(guò)程，該過(guò)程結(jié)合了新的連接檢查子過(guò)程，以確定將哪種 PD 特征配置連接到 PSE。

圖4.單特征與雙特征 PD 拓?fù)洹?/p>

除了執(zhí)行連接檢查外，設(shè)備還會(huì)驗(yàn)證連接的 PD 是否是符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的合法 PD。雖然IEEE要求PSE使用2點(diǎn)電壓或2點(diǎn)電流檢測(cè)方案檢測(cè)有效的PD特征（25 kΩ），但LTC9101/LTC9102/LTC9103通過(guò)采用兩種類型的檢測(cè)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的方案。這種多點(diǎn)（多電壓和多電流）檢測(cè)方案用于消除誤報(bào)，并避免損壞不設(shè)計(jì)為承受PoE DC電壓的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

PoE 2 為兩對(duì)導(dǎo)體（四根線）通電，以提供高達(dá) 25.5 W 的功率，并為四對(duì)導(dǎo)體（八根線）通電，以提供高達(dá) 71.3 W 的功率。不僅可以實(shí)現(xiàn)更高的功率水平，而且使用更多的導(dǎo)體可以為較舊的較低功率水平提供更好的效率，因?yàn)樗袑?dǎo)體通電后，電纜中的功率損耗將減少一半。例如，PoE 1 （PoE+） PSE 提供 30 W 的功率，以確保 PoE 1 PD 接收 25.5 W 的功率，其中 4.5 W 的功率在 100 米的 CAT5e 電纜上損耗。使用PoE 2為相同的25.5 W PD供電的四對(duì)可將損耗降低到2.25 W以下，從而將供電效率從85%提高到92.5%。當(dāng)您考慮全球 PoE PD 的數(shù)量時(shí)，這意味著功耗大大降低，并且在許多情況下，碳足跡最多可降低 7.5%。

PoE 2 引入了 4 個(gè)新的高功率 PD 類，使單特征類的總數(shù)達(dá)到 9 個(gè)，如表 2 所示。類 5 到 8 是 PoE 2 的新增內(nèi)容，可轉(zhuǎn)換為 40 W 至 71.3 W 的 PD 功率級(jí)別。PSE 仍然可以選擇使用物理層（即 71.3 W 的 5 事件分類）或數(shù)據(jù)鏈路層（即鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議 LLDP）對(duì) PD 進(jìn)行分類，并且 PD 仍然必須能夠支持這兩種分類方案才能合規(guī)。請(qǐng)記住，由于每個(gè)對(duì)集在雙特征 PD 中獨(dú)立運(yùn)行，因此每個(gè)對(duì)集可以是不同的類。例如，第一個(gè)對(duì)組上的 1 類 （3.84 W） 和第二個(gè)配對(duì)組上的 2 類 （6.49 W） 將構(gòu)成雙特征 1 類和 2 類 （10.3 W） PD。

PoE 2 PD 還可以實(shí)現(xiàn)物理層分類的可選擴(kuò)展，稱為自動(dòng)分類，其中 PoE 2 PSE 如 LTC9101/LTC9102/LTC9103 芯片組測(cè)量所連接 PD 的實(shí)際最大功耗。通過(guò)這樣做，這種方便的電源管理功能允許在其他燈泡測(cè)量特定燈泡時(shí)將“剩余”功率分配給其他燈泡，由于亮度設(shè)置較低或電纜較短，消耗的功率低于其類別。

毋庸置疑，PoE 2 向后兼容較舊的 25.5 W 和 13 W PoE 1 標(biāo)準(zhǔn)。低功耗 PoE 1 PD 可以連接到更高功率的 PoE 2 PSE，不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。而且，當(dāng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)并且較高功率的 PoE 2 PD 連接到較低功率的 PoE 1 PSE 時(shí)，PD 可以在協(xié)商的低功耗狀態(tài)下運(yùn)行，這稱為降級(jí)。如果 PD 忽略降級(jí)并在其最高功率狀態(tài)下運(yùn)行，則耗電的 PD 將導(dǎo)致 PSE 反復(fù)打開(kāi)，達(dá)到其過(guò)電流，然后關(guān)閉 - 實(shí)際上，摩托艇使 PSE 。因此，PoE 1 和 PoE 2 PD 都需要降級(jí)，但不幸的是，在某些實(shí)現(xiàn)中被忽略了。

最高效的局部放電

ADI提供多種獨(dú)特的IC，包括由Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI的一部分）設(shè)計(jì)的IC，以最大限度地提高PoE 2 PD性能。圖 3 顯示了帶有輔助輸入的高效單特征 PoE 2 PD 接口的簡(jiǎn)化框圖。該解決方案提供大于 94% 的端到端（RJ-45 輸入至 PD 負(fù)載）效率，工作溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

LT?4321（如圖5中的RJ-45接口所示）是一款有源二極管橋式控制器，可取代所需的二極管橋式整流器。LT4321 采用低損耗 N 溝道 MOSFET 電橋來(lái)同時(shí)增加 PD 的可用功率并減少散熱。PoE 2 要求 PD 在其以太網(wǎng)輸入上接受任何極性的 DC 電源電壓，因此 LT4321 能夠平穩(wěn)地整流，并將來(lái)自兩個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)的功率組合到單個(gè)極性正確的電源輸出中。由于增強(qiáng)的功率效率實(shí)際上消除了散熱要求，因此降低了整體電路尺寸和成本，并且節(jié)能10×或更多使PD能夠保持在分類功率預(yù)算范圍內(nèi)或添加其他功能。

圖5.帶輔助輸入的高效 IEEE 802.3bt 單特征 PD 接口的簡(jiǎn)化框圖。

圖 5 所示的理想二極管橋控制器是 PD 接口的大腦 — LT4295 是一款集成了一個(gè)高效率正激式或無(wú)光耦反激式控制器的 PoE 2 PD 接口控制器。LT4295 支持所有 9 個(gè) IEEE PD 類別，具有一個(gè)集成的 25 kΩ 特征電阻器、多達(dá) 5 個(gè)事件分類和一個(gè)單特征拓?fù)?。除了提供更多?PD 功率外，LT4295 相對(duì)于傳統(tǒng) PD 控制器的優(yōu)勢(shì)在于它使用了一個(gè)外部功率 MOSFET，以再次大幅降低整體 PD 散熱并最大限度地提高功率效率，這在 PoE 2 的較高功率水平下變得更加重要。

對(duì)于那些需要能夠支持輔助電源的PoE 2 PD設(shè)計(jì)，其中PD可以選擇由電源適配器供電，圖3頂部所示的LT4320是一款9 V至72 V有源二極管橋式控制器，它用低損耗N溝道MOSFET取代全波橋式整流器中的四個(gè)二極管，以顯著降低功耗并增加可用值電壓。電源和壁式電源適配器的尺寸可以減小，因?yàn)樵鰪?qiáng)的電源效率消除了笨重且昂貴的散熱器。低電壓應(yīng)用還可以從熱運(yùn)行二極管電橋固有的近兩個(gè)全二極管壓降（~1.2 V，12 V時(shí)為10%）提供的額外裕量中受益，從而增加應(yīng)用裕量。

結(jié)論

PoE 2 在當(dāng)今不斷增長(zhǎng)的全球以太網(wǎng)市場(chǎng)中仍然非常重要，即使在遠(yuǎn)程工作持續(xù)占主導(dǎo)地位的情況下也是如此。使用支持 PoE 的掃描儀、攝像頭和其他系統(tǒng)改造建筑物以保護(hù)員工的小型、中型和大型企業(yè)比以往任何時(shí)候都更需要高端口數(shù) PSE。ADI 的 LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 PSE 芯片組使交換機(jī)供應(yīng)商能夠高效、可靠地為多達(dá) 48 個(gè)以太網(wǎng)端口供電，同時(shí)為設(shè)施和 IT 經(jīng)理提供先進(jìn)的電源管理功能，從而滿足這一需求。同時(shí)，在電纜的另一端，PD開(kāi)發(fā)人員繼續(xù)擁有多個(gè)ADI IC，以提高集成度、減少熱量并提高電源效率。

審核編輯：郭婷