以太網(wǎng)供電PoE面臨的挑戰(zhàn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）PoE被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)或有源以太網(wǎng)，有時(shí)也被簡(jiǎn)稱為以太網(wǎng)供電。以太網(wǎng)供電PoE是一項(xiàng)歷史悠久且被廣泛采用的供電技術(shù)，PoE利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。該技術(shù)簡(jiǎn)化了很多終端設(shè)備的安裝，并提供了電源冗余和平滑電源轉(zhuǎn)換等功能。

功率提升，PoE快速發(fā)展

早期PoE多用在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP電話、Wi-Fi連接的無線接入點(diǎn)和IP攝像頭這類應(yīng)用中，通過100 m的標(biāo)準(zhǔn)CAT5以太網(wǎng)電纜為終端設(shè)備注入電力，功率在25.5W發(fā)送和30W。隨著PoE條款802.3bt標(biāo)準(zhǔn)推出，并引入了以太網(wǎng)聯(lián)盟EA徽標(biāo)計(jì)劃，此后PoE的應(yīng)用開始在各個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展。PoE條款802.3bt標(biāo)準(zhǔn)推出，也就是PoE 90W的供電方案發(fā)布之后，供電功率水平從25.5W和30W（接受/發(fā)送）提高到了71.3W和90W（接受/發(fā)送），通過四對(duì)CAT5雙絞線電纜供電。

擴(kuò)展負(fù)載輸入端功率范圍的好處是顯而易見的，更多的應(yīng)用可以與PoE相匹配，現(xiàn)在例如HMI等新的終端設(shè)備都開始PoE進(jìn)行供電。在智能照明、工業(yè)照明、醫(yī)學(xué)成像、專業(yè)音視頻設(shè)備和數(shù)字標(biāo)牌等等應(yīng)用領(lǐng)域里，PoE應(yīng)用開始快速地增長(zhǎng)。尤其是智能家居照明和工業(yè)照明領(lǐng)域，PoE的應(yīng)用不僅提高了電能的使用效率，還為照明設(shè)備添加了連接功能。PoE加持下的設(shè)備不僅僅提供基礎(chǔ)的照明功能，還能夠集成多種傳感器，成為一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)。

PoE中的PSE與PD

PoE設(shè)計(jì)中供電設(shè)備PSE和受電設(shè)備PD的互操作性以及是否符合802.3bt標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的。在以前的PoE中，一個(gè)電源通道就足以為每個(gè)PoE端口供電，現(xiàn)在不僅增加了電源通道用以實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的電平，還需要提高每個(gè)通道的功率密度。

在供電設(shè)備PSE和受電設(shè)備PD的IC上大家一般都會(huì)選擇參與了802.3bt標(biāo)準(zhǔn)與以太網(wǎng)聯(lián)盟徽標(biāo)計(jì)劃的廠商來做，這樣在互操作性和合規(guī)性上更有把握。出色的PSE和PD控制器能給開發(fā)人員能夠提供完整的端到端PoE系統(tǒng)。

PSE設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)非常多，浪涌和電纜放電、系統(tǒng)級(jí)的隔離需求、LED照明支持、復(fù)雜802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的變更、端口混合設(shè)計(jì)、多樣的寄存器接口、熱效率以及功率輸出效率等等。將數(shù)字和模擬組件組合起來，以解決系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

TI的90W PSE設(shè)計(jì)里采用了可配置的系統(tǒng)固件解決方案FirmPSE，提供了一種完全可配置的解決方案用于控制系統(tǒng)，可提供多達(dá)48個(gè)4線對(duì)PoE電源端口的。每個(gè)端口的專用14bit ADC進(jìn)行持續(xù)的端口電流監(jiān)控（2%精度），并執(zhí)行并行分級(jí)測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)更短的端口開啟時(shí)間。考慮到尺寸、效率以及散熱，設(shè)計(jì)采用了外部FET架構(gòu)（200mΩ），而且芯片組±2.5%可編程功率限制精度可以將PoE最大功率從90W擴(kuò)展到125W以上。

該設(shè)計(jì)里與之匹配的PD接口芯片則配置了可靠的100V熱插拔MOSFET，具有符合PSE浪涌要求的帶浪涌延遲的PG輸出。該芯片的自動(dòng)維持功率特性能自動(dòng)調(diào)節(jié)新標(biāo)準(zhǔn)下PSE的MPS并支持多種需要極低功耗待機(jī)模式的應(yīng)用。

ADI作為PoE領(lǐng)域的帶頭人之一也設(shè)計(jì)了非常多高端口數(shù)量的PSE芯片以及PD控制器。目前推的LTC9101帶閃存數(shù)字控制＋LTC9102/9103模擬控制的PSE系統(tǒng)是大型PSE系統(tǒng)常見的可拓展性設(shè)計(jì)，根據(jù)功率需要確定端口數(shù)量。

LTC9101是芯片組的核心，每個(gè)LTC9102/LTC9103電源通道都采用專用的檢測(cè)和分級(jí)硬件以保證電源路徑的高效率和耐用性。這可以大幅降低交換芯片中的上電延遲，使PSE不容易受到PD延遲影響。同樣的，為了降低功耗，也采用了外部MOSFET來控制電源通道。

與之相對(duì)應(yīng)的PD控制器設(shè)計(jì)上，有些PD控制器集成了高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。除了提供更多的PD功率之外，采用外部功率MOSFET更是進(jìn)一步地大幅降低總體PD散熱量并提高了電源效率。

小結(jié)

隨著PoE在智能照明、醫(yī)學(xué)成像、專業(yè)音視頻設(shè)備和數(shù)字標(biāo)牌等等非傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域里快速普及，PSE和PD的設(shè)計(jì)難度也大大增加，PoE系統(tǒng)需要比以往提供更多的端口數(shù)、更先進(jìn)的電源管理、更高的電源效率以及更低的散熱。