作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

以太網(wǎng)協(xié)議IEEE 802.3正在從傳統(tǒng)IT領(lǐng)域不斷擴(kuò)展到新興應(yīng)用和市場(chǎng)。如今，由于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）等標(biāo)準(zhǔn)的加強(qiáng)，以太網(wǎng)已部署在零售銷(xiāo)售點(diǎn)設(shè)備、安全監(jiān)控?cái)z像頭以及工業(yè)等領(lǐng)域。以太網(wǎng)還在自動(dòng)駕駛汽車(chē)等核心應(yīng)用中成為必不可少的快速、可靠和安全網(wǎng)絡(luò)，從而在汽車(chē)應(yīng)用中嶄露頭角。多年來(lái)，以太網(wǎng)的大多數(shù)參數(shù)改進(jìn)都集中在提高數(shù)據(jù)傳輸速率上，但是，2003年批準(zhǔn)的802.3af引入了以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)，即能夠通過(guò)以太網(wǎng)電纜傳輸功率。

為什么要采用PoE？

對(duì)于VoIP、安全攝像頭和樓宇自動(dòng)化等許多應(yīng)用，隨著以太網(wǎng)成為這些新應(yīng)用的首選網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)單一電纜同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和功率既節(jié)省成本，又非常便捷，因而變得非常有吸引力。PoE能夠使交換機(jī)和無(wú)線接入點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的部署更加簡(jiǎn)捷，不再需要為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行耗時(shí)且昂貴的交流電源插座安裝， PoE還可在斷電時(shí)為一些基本基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備提供緊急電源。

PoE支持的設(shè)備部署正在不斷擴(kuò)展到零售、制造、安全和訪問(wèn)控制等市場(chǎng)，而且這會(huì)反過(guò)來(lái)給PoE標(biāo)準(zhǔn)組織施加壓力，要求他們尋求提高功率傳輸能力的新技術(shù)。

PoE標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

PoE的基本概念涉及使用電源設(shè)備（PSE）向受電設(shè)備（PD）供電。當(dāng)今提供的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備都具有PSE功能或在訂購(gòu)時(shí)可以選擇。端跨（endspan，也稱(chēng)為端點(diǎn)）PD具有內(nèi)置電路，可從從以太網(wǎng)插槽中汲取功率來(lái)進(jìn)行操作。對(duì)于未配備支持PoE交換機(jī)的現(xiàn)有和傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施，中跨（midspan）PoE注入器可為端跨供電。同樣，在受電設(shè)備處，PoE分離器用于分離電源和數(shù)據(jù)信號(hào)，并可為未配備PoE的受電設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電壓。

最初的PoE標(biāo)準(zhǔn)802.3af于2003年發(fā)布，使用Cat5以太網(wǎng)電纜中四對(duì)雙絞線中的兩對(duì)（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。

圖1：使用兩對(duì)雙絞線的802.3af兼容PoE實(shí)現(xiàn)。

PoE標(biāo)準(zhǔn)允許線路損耗，并規(guī)定負(fù)載的電壓范圍為37～57V?；谠?7V下提供最大350 mA電流，功率容量為12.95W。

圖2：PoE標(biāo)準(zhǔn)，其中顯示了類(lèi)型和類(lèi)別。

隨著對(duì)更高功率的需求不斷增長(zhǎng)，陸續(xù)發(fā)布了新標(biāo)準(zhǔn)，使Class 8設(shè)備的功率容量達(dá)到90瓦。在802.3bt標(biāo)準(zhǔn)（也稱(chēng)為PoE +）下，Class 5 和Type 3以上設(shè)備使用所有四對(duì)電纜傳輸功率。PSE提供的電壓因設(shè)備類(lèi)型而異，對(duì)于Type 4設(shè)備，電壓范圍為52～57V，最大額定電流為960 mA。

從早期開(kāi)始，PoE就已經(jīng)廣泛用于安全攝像頭，其13瓦的受電設(shè)備功能足以為大多數(shù)簡(jiǎn)單的攝像頭供電。但是，在能夠?qū)嵤┻h(yuǎn)程搖攝、俯仰和變焦的IP攝像頭問(wèn)世之后，這些設(shè)備需要更高的功率預(yù)算。802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的推出標(biāo)志著從使用兩個(gè)電纜對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂盟膫€(gè)電纜對(duì)。伴隨PoE供電能力的增強(qiáng)，已經(jīng)迅速為更多應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)，其中之一是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，它可以管理現(xiàn)代化辦公室的供暖、通風(fēng)、照明和訪問(wèn)控制等?，F(xiàn)在可以通過(guò)PoE來(lái)管理LED燈串及其相關(guān)的控制設(shè)備。

通過(guò)引入四對(duì)配置，802.3bt標(biāo)準(zhǔn)提供了一種在單個(gè)受電設(shè)備中提供兩個(gè)獨(dú)立電源軌的機(jī)制。這種方法允許創(chuàng)建不同的電壓軌，例如+3.3 VDC和+5 VDC，或±2V電源。圖3所示為供電的兩種方法：?jiǎn)魏灻碗p簽名。

圖3：使用單簽名或雙簽名PoE供電架構(gòu)。

隨著PoE應(yīng)用于越來(lái)越多聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，尤其是消費(fèi)類(lèi)和商用設(shè)備，以太網(wǎng)聯(lián)盟認(rèn)為PoE的認(rèn)證計(jì)劃將能夠提供一種快速簡(jiǎn)便的方法，可以輕松識(shí)別能夠互操作的產(chǎn)品。目前正在就兩對(duì)電纜應(yīng)用進(jìn)行Class 4及以下級(jí)別的認(rèn)證（稱(chēng)為EA1），并于2020年末開(kāi)始引入最高Class 8（EA2）認(rèn)證。對(duì)正式認(rèn)證框架是否兼容會(huì)嚴(yán)重影響任何技術(shù)的購(gòu)買(mǎi)決定，因此，符合PoE認(rèn)證計(jì)劃可能會(huì)成為所有新產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)規(guī)范的重要方面。工程團(tuán)隊(duì)將需要熟知認(rèn)證要求和測(cè)試方法，并在開(kāi)發(fā)周期中花足夠的時(shí)間來(lái)充分準(zhǔn)備測(cè)試。新罕布什爾大學(xué)（The University of New Hampshire）是以太網(wǎng)聯(lián)盟授權(quán)的PoE認(rèn)證唯一測(cè)試機(jī)構(gòu)。

在設(shè)計(jì)中實(shí)施PoE

在終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)PoE功能需要分離出從PSE接收到的功率，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控制功能和功率轉(zhuǎn)換。許多制造商將這些功能集成到單個(gè)PoE IC。

Silicon Labs的Si34071是一種節(jié)省空間的解決方案，可將外部組件的數(shù)量降至最低。Si34071完全符合Class 8 的802.3bt標(biāo)準(zhǔn)，并集成了高效峰值電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠提供可配置的開(kāi)關(guān)頻率，所有這些功能都在一個(gè)薄型5 x 5mm QFN封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)。Si34071還提供有一個(gè)UART接口，用于連接到主機(jī)MCU。圖4展示了Si34071的功能框圖，圖5則突出顯示了Si34071AC5V8KIT PoE評(píng)估板中Si34071的使用。

圖4：Silicon Labs Si34071 PoE IC的功能框圖。

圖5：采用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT評(píng)估板的受電設(shè)備PD Class 8、71瓦接口簡(jiǎn)化框圖。

Si34071AC5V8KIT評(píng)估板可提供單簽名5V/14A輸出，隔離式正向拓?fù)銬C/DC轉(zhuǎn)換器的工作效率優(yōu)于91％。該設(shè)計(jì)具有自動(dòng)分類(lèi)開(kāi)關(guān)（Class switching），瞬態(tài)和過(guò)壓保護(hù)等功能。

對(duì)于開(kāi)發(fā)PSE端設(shè)計(jì)，Silicon Labs的 Si3474 PSE IC可提供四個(gè)90瓦802.3bt兼容PoE端口或最多八個(gè)30瓦802.3at/af PoE端口。

Microchip可針對(duì)PoE應(yīng)用原型提供全面的PSE和PD IC以及開(kāi)發(fā)套件。 Microchip的PD69208T4完全符合802.3af、at和bt標(biāo)準(zhǔn)，支持多達(dá)8個(gè)2對(duì)或4對(duì)4型PD要求的端口，最大輸出功率為95瓦，是與PD69210控制器配合使用的PoE電源管理IC。這些PSE IC適合PoE交換機(jī)、路由器和中跨設(shè)備等應(yīng)用，它們還適用于各種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和LED照明控制器。

Microchip還提供了完整的中跨PoE注入器單元，其中一款是PD9501GCO，該單端口中跨單元專(zhuān)為室外應(yīng)用而設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)為IP67，向后兼容802.3at和802.3af標(biāo)準(zhǔn)，是安全攝像頭和無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)等外部應(yīng)用的理想選擇。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）還提供一系列PoE-PD設(shè)備。 PM8805是符合IEEE 802.3bt單簽名標(biāo)準(zhǔn)的PoE PD接口，具有集成的雙主動(dòng)橋式MOSFETS配置，因?yàn)樗鼈兊恼螂妷簱p耗較低，因而可替代二極管。

結(jié)論

以太網(wǎng)供電已從剛剛開(kāi)始的相對(duì)較低功率發(fā)展成為適于多種應(yīng)用的電源選擇方案，可理想用于包括安全攝像頭和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)在內(nèi)的多種應(yīng)用。其功率容量在演進(jìn)到90瓦時(shí)能夠大大擴(kuò)展應(yīng)用范圍，并將有助于將以太網(wǎng)部署加速擴(kuò)展到更多市場(chǎng)領(lǐng)域。