通過以太網(wǎng)鏈路傳輸更多電力的IEEE 802.3bt PoE

以太網(wǎng)供電（PoE）是 IEEE 802.3af 和 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)定義的一種聯(lián)網(wǎng)功能。PoE 使以太網(wǎng)電纜可以通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)連接同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)。IEEE 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)已于 2018 年 9 月 27 日獲得 IEEE-SA 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的批準(zhǔn)，可通過以太網(wǎng)鏈路傳輸更多電力。在這里，我們討論為何這很重要，以及工程師如何利用這一潛力。

無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)隨時(shí)可用，為何我們?nèi)栽谑褂糜芯€連接？好吧，無線聯(lián)接很方便；但建筑物和家庭中已有數(shù)百萬英里的有線 CAT5e 電纜，因此有線連接仍在使用中，而且有線比無線（企業(yè)網(wǎng)絡(luò)如大學(xué)通常都是有線的）更難被黑客入侵或攔截，且長(zhǎng)的有線電纜成本很低。如果您有一幢由磚、石頭和金屬構(gòu)成的建筑物，那么在許多情況下都能獲得良好的無線信號(hào)（5G 具有更好的室內(nèi)覆蓋范圍，但完全部署還需時(shí)日）。如果要接入以太網(wǎng)電纜信號(hào)，則必須切入。此外，無線更容易受到其他信號(hào)和無線電波的破壞，而有線電纜通常被屏蔽并提供“即插即用”體驗(yàn)，并且具有更好的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

802.3bt 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用電源設(shè)備（PSE），一種可通過以太網(wǎng)電纜為受電設(shè)備（PD）供電的電源控制器。 IEEE 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)指出：“PD 是消耗功率或請(qǐng)求功率的設(shè)備部分，參與 PD 檢測(cè)算法。能夠成為 PD 的設(shè)備可能具有從備用電源汲取功率的能力。需要從電源接口（PI）供電的 PD 可能同時(shí)從備用電源供電?！钡湫偷?PD 是一種設(shè)備，如 IP 電話、無線接入點(diǎn)、安防攝像機(jī)等，從以太網(wǎng)電纜接收電力。電源接口（PI）是 PSE 或 PD 與傳輸介質(zhì)之間的機(jī)械和電氣接口。這是在 IEEE802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)的“PD PI 當(dāng)前定義”第 1.4.324 節(jié)中定義的。

以前的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)僅使用以太網(wǎng)電纜中八根導(dǎo)線中的四根來傳輸直流電流，IEEE 工作組選擇對(duì) 802.3bt 使用所有八根導(dǎo)線。IEEE Std 802.3bt-2018 修正案 2 指出：“此修正案使用結(jié)構(gòu)化布線工廠中的所有四對(duì)電線，增加了功率傳輸，從而為終端設(shè)備提供了更大的功率。該修正案還降低了終端設(shè)備的待機(jī)功耗，并增加了一種機(jī)制來更好地管理可用功率預(yù)算?！?/p>

IEEE 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的目標(biāo)是增加從電源設(shè)備（PSE）到受電設(shè)備（PD）的電量。提供給 PD 的這些額定功率水平高達(dá) 71.3 W（90W 來自 PSE），同時(shí)大大降低了 PD 睡眠時(shí)所需的待機(jī)功耗。

自動(dòng)分類特性

IEEE 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)的第 145.8.8.2 節(jié)對(duì)稱為“自動(dòng)分類”的物理層分類進(jìn)行了可選擴(kuò)展。啟用此功能后，PSE 會(huì)確定所連接的 PD 設(shè)備消耗的實(shí)際最大功率。自動(dòng)分類（Autoclass）僅針對(duì)單特征（single signature）PD 定義（有關(guān)單特征定義，請(qǐng)參閱下一節(jié)）。

當(dāng) PSE 實(shí)施 Autoclass 時(shí)，在 POWER_ON 且同時(shí) pd_autoclass 為 TRUE 時(shí)測(cè)量 PAutoclass。請(qǐng)參閱本文標(biāo)題為“一個(gè) 802.2bt 最壞情況的示例”的部分，顯示發(fā)送給 PD 的功率未達(dá)到所需滿功率的情況。如果啟用自動(dòng)分類功能，則可以糾正這種情況。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見 Embedded Computing Design 刊登的文章“通過自動(dòng)分類優(yōu)化 PoE 輸出功率”。

單特征 / 雙特征

IEEE 802.3bt 提供兩種新的 PD 拓?fù)?，分別稱為單特征和雙特征。單特征 PD 在兩個(gè)線對(duì)之間具有相同的分類、維持功率特征（MPS）和檢測(cè)特征。雙特征 PD 在兩個(gè)線對(duì)之間具有獨(dú)立不同的特征。802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)通過新添加的連接檢查（Connection Check）使區(qū)分功能能來識(shí)別單特征或雙特征 PD 連接之間的差異。

雙特征 PD 將需要兩個(gè)并行的 PD 接口，因?yàn)樵诖送負(fù)渲行枰獌蓚€(gè)不同的線對(duì)集。每個(gè) PSE 的電力在每個(gè) PD 接口之后匯集。這是個(gè)成本更高的方案。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇成本低一半的單特征方案?？紤]具有雙重特征的監(jiān)視攝像機(jī)，其中一個(gè)線對(duì)與攝像機(jī)相連，另一個(gè)線對(duì)與加熱器或云臺(tái) / 變焦電機(jī)相連。

對(duì)于來自 PSE 的每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，PD 端通常也需要一個(gè)變壓器（對(duì)于 GB 以太網(wǎng)，請(qǐng)參見圖 1，其中 Vpd,B 可能是 10 / 100Base-T），一個(gè)有源橋式整流器，一個(gè) 802.3bt PD 接口控制器和一個(gè) DC - DC 轉(zhuǎn)換器。肖特基二極管、電阻器和電容器也可理解為 PD 附加組件的可能部分。

圖 1 802.3bt PD 端應(yīng)用電路圖，安森美半導(dǎo)體的 FDMQ8205A 橋式整流器和 NCP1096 PoE-PD 接口控制器（圖片由安森美半導(dǎo)體提供）

圖 2 顯示，Type 4,Class 8 可能消耗的最大功率為 71.3W。PSE 最低電壓為 52 V，最差的支持通道電阻為 6.25 ohm，1.73 A 的電流將流經(jīng)電纜。

圖 2 最壞情況下的通道為 6.25 歐姆，負(fù)載的恒定功率為 71.3W（Class 8）。每條導(dǎo)線 1.73A 或 0.433 是可在兼容系統(tǒng)中流動(dòng)的最高額定電流（圖片由參考文獻(xiàn) 2 提供）

PD 端的潛在問題以及設(shè)計(jì)人員可能的方案 / 緩解措施

IEEE 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)指出“PD 在與電纜的物理連接點(diǎn)指定。未指定特性如電壓校正電路、電源效率低下造成的損耗，內(nèi)部電路與外部接地之間的分離或 PI 連接器之后電路引起的其他特性等。除非特別說明，否則 PD 定義的限制指定在 PI 上，而不是在 PD 內(nèi)部的任何點(diǎn)上。

以下是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮的一些領(lǐng)域，以建立一個(gè)真正強(qiáng)固的設(shè)計(jì)架構(gòu)：

1）注意由于 PSE 和 PD 之間的通道中的其他設(shè)備（二極管，變壓器等）引起的電流不平衡（請(qǐng)參見圖 3）。只要設(shè)計(jì)人員意識(shí)到這種不平衡，就可以采用創(chuàng)造性的方法來減輕這種不平衡。這將取決于設(shè)計(jì)架構(gòu)。一些可靠的規(guī)則是使用良好的接地平面以及承載大電流的寬接地回路。

2）以太網(wǎng)電纜中的線對(duì)線間電流不平衡：這里的問題是電纜供應(yīng)商很少測(cè)試或給設(shè)計(jì)人員提供線對(duì)線不平衡規(guī)范，他們通常只指定線對(duì)內(nèi)的不平衡。

圖 3 PD 電流不平衡驗(yàn)證電路（圖片由參考文獻(xiàn) 1 提供）

3）當(dāng)心電纜發(fā)熱：通常會(huì)有大量電纜發(fā)熱，但設(shè)計(jì)人員需要保持溫升控制。IEEE 工作組設(shè)定限值應(yīng)小于 10 攝氏度的溫升。他們采用 300 mA 電流流過所有電纜導(dǎo)線，就像在不失衡的情況下，為每 100 m 電纜的末端傳送 51 W 功率。設(shè)計(jì)人員可以嘗試一些方案，例如使用較低電阻的電纜來減少 I2R 損耗，在每個(gè)線束中使用較少的電纜或僅在電纜束中進(jìn)行部分供電。

確定任何給定電纜的功耗（發(fā)熱）的正確方法是使用恒定功率吸收器作為負(fù)載，并使用電壓源作為輸入電源 2。

一些電纜發(fā)熱研究會(huì)測(cè)試 2.0 A 時(shí)的電纜束。因此，如果使用 24AWG 電纜，則電纜功率密度將為 164 mW / m。功率密度是每單位長(zhǎng)度電纜消耗的功率，因此：

164 mW / m =((2.0A)2x 4.09 ohms)/100m)

Rch 基于 24 AWG 固態(tài)銅在 20oC 的電阻率

圖 4 通道是 24 AWG UTP，負(fù)載是恒定的 2.0A（圖片由參考文獻(xiàn) 2 提供）

4）輸送到 PD 的功率（PD 是恒定功率負(fù)載）與 PSE 功率輸出之間存在非線性關(guān)系。PD 的功率需求各不相同。PD 需要更多的電流意味著電纜中的壓降更高，并有 IR 損耗。PD 獲得的電壓低于所需電壓，因此需要更多電流。事實(shí)證明，在較低電流下使用較高的 PD 電壓可穩(wěn)定此效果。為安全起見，請(qǐng)將 PSE 電壓限制為不超過 57 V。

測(cè)試 PD

如果制造商有演示板或參考設(shè)計(jì)，請(qǐng)始終將其用于您的應(yīng)用。這些板是使用適當(dāng)?shù)牟季€和接地技術(shù)精心創(chuàng)建的，以提供最佳的架構(gòu)性能。通常可以從制造商處獲得工藝的 Gerber 文件。請(qǐng)?jiān)谠O(shè)計(jì)中使用它們。這些方法將免去對(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行大量測(cè)試。

對(duì)于設(shè)計(jì)的生產(chǎn)測(cè)試以及在實(shí)際系統(tǒng)中的測(cè)試，有一些很好的方案，如 Reach Technology 的 PoE5 100 W PoE 測(cè)試儀或 Reach Technology 的 RT-PoE5 IEEE 802.3bt 以太網(wǎng)供電 PSE 生產(chǎn)測(cè)試儀。新罕布什爾大學(xué)互操作性實(shí)驗(yàn)室是唯一用于測(cè)試 PoE 認(rèn)證的第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)。Sifos Technologies 擁有用于 IEEE 802.3bt PoE 的新的緊湊的 PowerSync 分析儀，將有助于進(jìn)行 4 線對(duì)測(cè)試。以上方案將有助于確保強(qiáng)固的系統(tǒng)。

總結(jié)

本文旨在介紹 POE 和 IEEE802.3bt。希望讀者能了解 PD 和 PSE 的定義，以及它們?cè)谔峁┻m當(dāng)信號(hào)和功率傳輸方面的優(yōu)勢(shì)和局限性，并更好地理解該標(biāo)準(zhǔn)及其在 PoE 系統(tǒng)中的改進(jìn)能力。

本文的重點(diǎn)正如本文所強(qiáng)調(diào)的，IEEE 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)支持設(shè)計(jì)人員向 PD 提供更高的功率以及更多通用的能源選擇。

本文還提供了為什么在無線世界中進(jìn)行有線連接可以增強(qiáng)安全性、提高可預(yù)測(cè)性和可靠性的原因。廣泛的現(xiàn)有有線基礎(chǔ)設(shè)施已部署到位，其環(huán)境干擾遠(yuǎn)低于無線環(huán)境，系統(tǒng)成本更低且 QoS 更高。

本文還向讀者介紹了設(shè)計(jì) 802.3bt PD 時(shí)要考慮的一些重要點(diǎn)，以避免潛在的缺陷，從而使最終設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

最后，為了更好地設(shè)計(jì) 802.3bt PD，向設(shè)計(jì)人員演示了適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法，并提供了鏈接和參考文獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

1 IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt?-2018 (Amendment to IEEE Std 802.3?-2018 as amended by IEEE Std 802.3cb?-2018)

2 Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017

編輯：hfy