互聯(lián)的設(shè)備依賴于兩個核心功能，即通信回傳和電源。對于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，經(jīng)常會出現(xiàn)三個核心問題：電源、通信和安全性。像 WiFi 這樣的無線技術(shù)已在市場上引起了人們的關(guān)注多年，但卻為這三個問題困擾。無線電池供電的設(shè)備需要定期充電，WiFi 的頻段飽和。這是當今兩個常見的問題。較大的功率需求需要主電源連接，這使安裝點復(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、安全性和電源來解決這些問題。自從 2003 年由 IEEE 首次發(fā)布以來已取得了飛躍性的發(fā)展。最新的 IEEE 802.3bt 批準使其成為市場上的佼佼者，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)備包括無線和蜂窩基站、平移傾斜變焦（PZT）和半球攝像機、電視、交互式顯示器和信息站。單根低壓電纜同時配以專用高速通信，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 向端點提供高達 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，從而簡化了安裝和維護。該標準將每個端口的功率限制為 90W，使這成為以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)淖畲蠊β省?/p>

該標準最初定于 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，新標準允許同時使用兩種功率模式（模式 A 和模式 B），通常稱為 4 對或 4PPOE，經(jīng)由 4 對而不是 Type 1 和 Type 2 供電。

添加的 3 類，即 5 至 8 類，具有改進的相互識別過程和自動分類功能。此更新還帶來了更低的待機功耗，并支持 10G-BASE-T 和 PoE。

用 PoE 設(shè)計

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

啟動階段的波形

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）使用單獨的輸入橋式整流器和 PD 控制器。

可選的分類擴展是自動分類。在“自動分類”中，PSE 會測量特定時間段內(nèi)連接的 PD 的功耗，從而可以確定 PD 所需的最大功率。自動分類絕不會使用雙特征 PD 來實現(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：單特征 PD 的最大平均功率

一旦檢測到受電設(shè)備并確定了類別，它就必須保持電源特征。對于 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)，浪費了至少 2.31 mA 的平均電流。在 50 V 時，達到 115 mW，在更大的部署中很快地相加。對于 Type 3 和 Type 4 供電設(shè)備，占空比降低到 1.875％，這使得每個設(shè)備的功率小于 10 mW，從而使待機功耗降低了 90％。

在網(wǎng)絡(luò)上存在大量設(shè)備的互聯(lián)照明應(yīng)用中，嚴格要求 MPS。即使對無線回傳、Wi-Fi 接入點和安防攝像頭等始終在線的設(shè)備來說，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。對于 10BASE-T / 100BASE-TX，在模式 A 下，電源與數(shù)據(jù)對 1-2 和 3-6 同時傳送。模式 B 由備用對 4-5 和 7-8 供電。在 1000BASE-T 應(yīng)用（四對）中，模式 A 和模式 B 的電力也同時由 4 對傳輸。使用標準以太網(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 對模式的接線。

圖 2：模式 A 和模式 B PoE 功率傳輸

圖 3：4 對 PoE 功率傳輸

在設(shè)計使用 PoE 的設(shè)備時，考慮互連電纜很重要。以太網(wǎng)的電纜長度最大為 100 m，它具有直流電阻，同時會降低電壓并因發(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 100 Mhz，適用于 10/100 / 1000BASE-T。類別 6 或 Cat6 是對 Cat5 電纜的改進，并支持高達 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 中的傳輸損耗總計為 2.5 W，在 Cat6 中的傳輸損耗總計為 1.75 W，這些損耗因發(fā)熱而耗散。對于 90 W 的設(shè)備，此傳輸損耗在四對之間共享，每對為 930 mA，PSE 至少為 52V。在 Cat5 中為 17.30 W，在 Cat6 中為 2x6.05W。這表明 Cat5 對于任何應(yīng)用都是足夠的和安全的。

聯(lián)接

安裝時應(yīng)仔細考慮布線。必須計算電纜長度和設(shè)備電源之間的折衷，以提高能效和降低電纜損壞的風險。

Diode Bridge：二極管橋

Total Solution Size：總方案尺寸

圖 4：GreenBridge?方案對比二極管橋

受電設(shè)備控制器進行轉(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 0.6 A 電流流經(jīng)二極管橋。每個二極管的正向電壓為 0.7 V，每個二極管的功率損耗為 420 mW。對于 90 W 系統(tǒng)，現(xiàn)在的電流為 3.7 A，每個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)省看似相對較小，但是在使用數(shù)百個 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)中運行所需的所有功能，如浪涌階段的檢測、分類、自動分類和電流限制。兩個控制器采用內(nèi)部 / 外部傳輸晶體管，支持高達 90 W 的功率。它們還指示何時可以實施簡短的維持電源特征。附加的輔助電源檢測支持由 PoE 或墻式適配器供電。

NCP1095GEVB 和 NCP1096GEVB 評估板使設(shè)計工程師可以快速評估兩個控制器的運行，然后實施有助于設(shè)計過程的物理設(shè)計。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 評估板

總結(jié)

最新批準的 IEEE 802.3bt 以太網(wǎng)供電標準為更多耗電設(shè)備打開了市場，為性能更高的應(yīng)用開啟了大門。功耗的增加帶來了新的挑戰(zhàn)，可以采用安森美半導(dǎo)體的精妙的 PoE-PD 方案來解決，該方案集成 GreenBridge 有源橋 Quad MOSFET 和易于實施的 PoE-PD 控制器。這些降低了新產(chǎn)品的風險并縮短了上市時間，使以太網(wǎng)供電成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要市場競爭因素。
? ? ? ?責任編輯:pj