如何進行物聯(lián)網(wǎng)的以太網(wǎng)供電設(shè)備的設(shè)計

W-LAN等基于無線電的無線傳輸技術(shù)帶來了三個挑戰(zhàn)：基于無線電的電池供電設(shè)備必須定期充電，W-LAN的頻帶處于飽和狀態(tài)，并且更高的功率要求需要網(wǎng)絡(luò)連接。以太網(wǎng)供電解決了這些問題。

具有Internet連接的設(shè)備基于兩個基本功能：通信回傳和電源。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還附帶安全性。多年來，無線，即基于無線的傳輸技術(shù)（例如WLAN）一直是事件的中心，但帶來了三個挑戰(zhàn)?；跓o線電的電池供電設(shè)備必須定期充電，并且WLAN的頻段處于飽和狀態(tài)-這都是當(dāng)今常見的問題。更高的電源要求還需要網(wǎng)絡(luò)連接，這會使安裝點變得復(fù)雜并受到限制。

以太網(wǎng)供電（PoE）通過現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)提供靈活性，可靠性，安全性和電源來解決這些問題。自2003年由IEEE引入以來，PoE取得了長足的發(fā)展。IEEE 802.3bt的最新批準(zhǔn)使其成為市場上的重要競爭對手，通過Cat5 / Cat6電纜提供10G-BASE-T和60至90W的功率。

更高效

最初，類型1電源設(shè)備（PSE）只能提供高達15.4 W的功率。Type 2的功率增加了一倍，達到30 W.今天于2018年9月發(fā)布的Type 3和Type 4分別提供60和90 W的功率。這打開了與互聯(lián)網(wǎng)兼容的設(shè)備的世界，包括無線電和手機基站，云臺變焦-（PTZ）和半球攝像機，電視，交互式顯示器和信息亭。單根低壓電纜與高速數(shù)據(jù)通信相結(jié)合，意味著更少的布線，是樓宇智能維護，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）安裝的理想選擇。

以太網(wǎng)供電是使用現(xiàn)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為終端設(shè)備供電的有線通信和電源系統(tǒng)。電源設(shè)備（PSE）通過8條線為受電設(shè)備（PD）供電，這些線設(shè)計為具有RJ45連接的四根雙絞線電纜（Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a）。PSE在端點提供的電壓最高為57V。由于此電壓低于60 V，因此符合安全特低電壓（SELV）指令，該指令使系統(tǒng)電氣安全，并且不需要合格的電工或埋葬電纜，從而簡化了安裝和維護。該標(biāo)準(zhǔn)將每個端口的功率限制為90 W，這是最大功率，

該版本原定于2017年發(fā)布，在實際引入該標(biāo)準(zhǔn)之前會不斷進行更新，以確保與以前的版本向后兼容。PoE規(guī)范的最新更新IEEE 802.3bt引入了Type 3和Type 4 PSE和PD。為了提供更高的電流，新標(biāo)準(zhǔn)允許同時使用稱為4對或4PPOE的兩種功率模式（模式A和模式B），并為四對功率提供功率，而不是類型1和2中的兩種功率。

添加了四個附加的類（5至8年級），它們具有改進的相互識別和自動類功能。此更新還提供了更低的待機功耗，并支持PoG以及10G-BASE-T。

利用以太網(wǎng)供電進行開發(fā)

開發(fā)PD時，必須考慮某些功能，包括操作模式，PD檢測和分類。為了避免損壞非PoE設(shè)備，PSE必須在為PD供電之前識別是否已連接PD。PD模式可通過有效的簽名識別，并使用25kΩ電阻在PD中實現(xiàn)。如果PSE然后提供兩個連續(xù)的電壓（U1 = 2.7 V和U2 = 10.1 V）用于電阻檢測，它將記錄電流值，從而在激活電源之前確定PD的存在。圖1描述了啟動過程中的電阻檢測。

圖1：開始階段的波形。（安森美半導(dǎo)體）

PD的最大功率要求在分類階段中確定。PD上連接到PoE控制器的另一個電阻指示功率范圍。表1列出了單個簽名PD的不同類別及其最大平均性能。該類不應(yīng)與類型混淆，因為它指的是所連接設(shè)備的特定電源。對于IEEE 802.3af / at（類型1和類型2的設(shè)備），使用具有單個簽名的PD。IEEE 802.3bt針對每種模式或替代方式（A和B）使用單獨的輸入橋式整流器和PD控制器添加了兩個簽名PD。

分類的可選擴展是“自動分類”。PSE測量在一定時間段內(nèi)連接的PD的功耗，以便PSE可以確定PD永遠(yuǎn)需要的最大功率。自動分類永遠(yuǎn)不會使用雙重簽名PD來實現(xiàn)。

表1列出了與PD上接收到的功率有關(guān)的新類別和類型以及每種類型所支持的模式。

表1：單簽名PD的最大平均性能。

識別出PD并確定類別后，它必須維護電源簽名。對于類型1和類型2的設(shè)備，所需的最小簽名為10 mA，占空比為20%。為了使端口保持活動狀態(tài)，浪費了至少2.31 mA的平均電流。這相當(dāng)于在50 V電壓下為115 mW，對于大型應(yīng)用而言，其累加非?？?。對于3型和4型設(shè)備，占空比已降至1.875%，從而使每個設(shè)備的功耗低于10 mW，待機功耗降低了90%。

單片電源（MPS;單片電源系統(tǒng)）在網(wǎng)絡(luò)照明中必不可少，因為網(wǎng)絡(luò)中存在大量設(shè)備。對于永久性活動的系統(tǒng)（例如，基于無線電的回程，WLAN接入點和安全攝像機），它們也是必需的，盡管要求并不那么嚴(yán)格。

以太網(wǎng)供電模式

功率輸出分為三種模式：模式A，模式B（替代A或替代B）和4對。使用處于模式A的10BASE-T / 100BASE-TX，電源將與數(shù)據(jù)對1至2和3至6同時傳送。模式B通過備用對4至5和替換對7至8提供電源。在1000BASE-T應(yīng)用程序（四對）中，模式A和B都同時在四對對之間提供電源。共模電壓取自標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭。然后，DC / DC轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

圖2描述了類型1和類型2應(yīng)用在模式A和模式B下的功率輸出，圖3描述了類型3和類型4在4對模式下的電纜連接。

圖2：用于PoE電源輸出的模式A和模式B。（福祿克網(wǎng)絡(luò)）

圖3：4對PoE電源輸出。（福祿克網(wǎng)絡(luò)）

圖4：綠橋解決方案與二極管橋的比較。（安森美半導(dǎo)體）

圖5：四MOSFET綠橋FDMQ8203。（安森美半導(dǎo)體）

圖6：評估板NCP1095GEVB / NCP1096GEVB。（安森美半導(dǎo)體）

安森美半導(dǎo)體開發(fā)PoE設(shè)備時，必須考慮連接電纜。以太網(wǎng)的最大電纜長度為100 m，這是一個直流電阻，可降低電壓并耗散熱量。5類（Cat5）電纜是雙絞線電纜，用于以太網(wǎng)和PoE網(wǎng)絡(luò)中的電源。這些電纜在10/100 / 1000BASE-T上最高支持100 MHz。6類（Cat6）電纜相對于5類電纜進行了改進，并支持10GBASE-T以太網(wǎng)最高500 MHz。

100 m長的Cat5電纜的直流電阻為12.5Ω;Cat6電纜僅7Ω。傳輸損耗隨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。這會導(dǎo)致Cat5的傳輸損耗為2.5 W，Cat6的傳輸損耗為1.75 W，并通過熱量散發(fā)。對于90 W的設(shè)備，此傳輸損耗分為四對，每對930 mA，PSE提供至少52V。Cat5對應(yīng)于17.3 W，Cat6對應(yīng)于2×6.05 W，這表明Cat5對于每種應(yīng)用都是足夠且安全的。

正確的連接

安裝時應(yīng)仔細(xì)選擇電纜。需要在電纜長度和設(shè)備性能之間進行權(quán)衡，以提高效率并消除布線損壞的風(fēng)險。

PD控制器通過附加的DC / DC轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)PD側(cè)的輸入電壓。二極管橋是常見PoE設(shè)備的一種經(jīng)濟高效的解決方案。它們足以滿足功耗較低的設(shè)備的需求，但隨著性能的提高，它們成為問題。在25.5 W和至少42.5 V時，大約0.6 A的電流流過二極管電橋。每個二極管的正向電壓為0.7 V，每個二極管消耗的功率為420 mW。對于90 W系統(tǒng)，現(xiàn)在的電流為3.7 A，每個二極管消耗的功率為2.59W。

MOSFET方法比傳統(tǒng)的二極管橋改善了線損和效率。安森美半導(dǎo)體的第一代綠橋系列集成雙p溝道和雙n溝道MOSFET（FDMQ8203）提供了一種精巧的解決方案，采用緊湊且經(jīng)過熱改良的SMD封裝。線損取決于R DS（ON）MOSFET的價值：n溝道和p溝道MOSFET分別具有110和190mΩ的電阻，對于25 W系統(tǒng)，功率損耗約為115 mW。這是二極管橋損耗的四分之一。在90 W的示例中，3.7 A的電流導(dǎo)致354 mW的線損，相當(dāng)于二極管解決方案的13%。這似乎是一個相對較小的節(jié)省，但是在使用數(shù)百個PoE傳感器的建筑物管理系統(tǒng)中，差異可能很大。

第二代Quad-MOSFET（FDMQ8025A）在與第一代相同的小型MPL封裝（4.5 mm×5 mm）中提供了更高的標(biāo)稱功率，高效的橋式整流器和必要的柵極驅(qū)動器，并且其R DS（ON）更低。）對于n通道型號為35mΩ，對于p通道型號為76mΩ。

安森美半導(dǎo)體還提供PoE-PD接口控制器，通過該控制器，每個設(shè)備均可按照802.3af / at和-3bt進行操作：NCP1095和NCP1096包含PoE系統(tǒng)中操作所需的所有功能，例如檢測，分類，自動分類以及接通階段的電流限制。這兩個控制器通過內(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插入短時維護電源簽名。附加的輔助電壓檢測可通過PoE或電源適配器啟用電源。

使用評估板NCP1095GEVB和NCP1096GEVB，可以在實施物理設(shè)計以支持開發(fā)過程之前快速評估兩個控制器。這些板包括活動的Green Bridge2橋，RJ45連接和LAN變壓器