為以太網(wǎng)供電設(shè)計(jì)創(chuàng)建電源子系統(tǒng)

借助以太網(wǎng)供電 （PoE） 技術(shù)，我們可以通過(guò)現(xiàn)有的 CAT5/5e/6 以太網(wǎng)電纜發(fā)送數(shù)據(jù)和供電。PoE 系統(tǒng)已被證明適用于監(jiān)控?cái)z像頭、家庭/樓宇控制、數(shù)字標(biāo)牌、企業(yè)內(nèi)的 VoIP 電話和 Wi-Fi 接入點(diǎn)等應(yīng)用。本應(yīng)用筆記提供有關(guān)PoE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，特別關(guān)注用電設(shè)備（PD）電源子系統(tǒng)。

介紹

PoE 系統(tǒng)由某種形式的供電設(shè)備 （PSE） 組成，例如網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或中跨供電器交換機(jī)，以及圖 1 所示的 PD。

圖1.PoE 系統(tǒng)，頂部是供電設(shè)備，底部是用電設(shè)備。

PoE 有利于減少連接到終端設(shè)備的電纜數(shù)量。使用單根以太網(wǎng)電纜可簡(jiǎn)化安裝，并提供集中式電源管理 – 如果 PSE 具有不間斷電源 （UPS） 電源，PD 可以遠(yuǎn)程關(guān)閉和打開電源，并且可以在交流停電的情況下提供連續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)然，可以有效地提供給端點(diǎn)的功率量以及該端點(diǎn)與提供電源的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的距離是有限制的。指定的最大距離為 100 米（333 英尺）;這是從支持 PoE 的交換機(jī)到 PoE PD 的距離。但是，PoE 以太網(wǎng)擴(kuò)展器可以延長(zhǎng)該跨度。

電源使用以太網(wǎng)電纜中的雙絞數(shù)據(jù)線傳輸。每根以太網(wǎng)電纜都有四對(duì)數(shù)據(jù)線。在千兆以太網(wǎng)（迄今為止最常見的類型）中，所有四對(duì)都攜帶數(shù)據(jù)。可以使用兩對(duì)電線供電，如圖2所示。一個(gè)稱為備選方案A，另一個(gè)稱為備選方案B。

要符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)，PD必須同時(shí)支持備選方案A和備選方案B，而PSE可以支持備選方案A或備選方案B，或兩者兼而有之。

圖2.PoE 生態(tài)系統(tǒng)顯示備選方案 A 和備選方案 B 的電源連接。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可以輸送到端點(diǎn)的功率量：

IEEE802.3af是2003年批準(zhǔn)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，額定使用以太網(wǎng)電纜中的兩對(duì)電線輸出15.4W/端口。在 100m 距離處，這意味著 PD 將獲得 12.95W 的功率。

2009年，IEEE批準(zhǔn)了PoE+標(biāo)準(zhǔn)802.3at。有了這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，PD可以在100m處獲得25.5W的功率。該標(biāo)準(zhǔn)向后兼容，因此較舊的PD將與新的PSE配合使用。

IEEE 802.3bt 于 2018 年 9 月獲得批準(zhǔn)，可為超過(guò) 100 米的 PD 提供 71W 的功率?，F(xiàn)在，PSE可以通過(guò)單根以太網(wǎng)電纜輸出100W，這有助于將PoE市場(chǎng)擴(kuò)展到LED照明，大屏幕顯示器等。

由PSE提供并由PD接收的電壓范圍如表1所示。

表 1：由 PSE 提供并由 PD 接收的電壓范圍

PoE 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：PD 電源子系統(tǒng)

通用PD的電源子系統(tǒng)可能如圖3所示。

圖3.PoE PD 電源子系統(tǒng)。頂部：非隔離。底部：孤立。

PD 的電源子系統(tǒng)由一個(gè) PD 接口控制器和一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成，前者接受來(lái)自以太網(wǎng)電纜的電源，后者將功率調(diào)節(jié)至電路功能所需的電源軌。表 2 提供了 PD 可從 PoE 連接器獲取的最大功率量。PD 必須通過(guò) PD 接口控制器的分類對(duì)自身進(jìn)行分類，以便根據(jù)其類別接收適量的功率。有關(guān) PD 分類 IEEE802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)的更多詳細(xì)信息。

表 2：從 PoE 連接器獲取電源

在選擇合適的電源解決方案之前，回答這些問題可以幫助您確定 PD 要求：

您的 PD 需要多大的功率？
了解您的PD所需的最大功率后，選擇合適的類別來(lái)滿足此需求。最好不要過(guò)度分類您的 PD 功率。其中一個(gè)原因是更高的功率會(huì)增加電源解決方案的成本。另一個(gè)原因是它會(huì)減少 PSE 可以分配給連接到同一 PoE 網(wǎng)絡(luò)的其他 PD 的剩余可用功率。

是否需要隔離？
PD 和 PSE 在所有可訪問的外部導(dǎo)體之間提供隔離，包括框架接地（如果有）和所有介質(zhì)相關(guān)接口 （MDI） 引線，包括 PD 或 PSE 不使用的引線。需要考慮兩種配電環(huán)境，它們需要不同的電氣隔離特性： 環(huán)境 A：當(dāng)局域網(wǎng) （LAN） 或 LAN 段及其所有相關(guān)互連設(shè)備完全包含在單個(gè)低壓配電系統(tǒng)和單個(gè)建筑物內(nèi)時(shí)。符合環(huán)境 A 要求的多端口網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備 （NID） 不需要鏈路段之間的電源隔離。 環(huán)境 B：當(dāng) LAN 跨越不同配電系統(tǒng)之間的邊界或單個(gè)建筑物的邊界時(shí)。在這種環(huán)境中，具有多個(gè) PSE、PD 或兩者實(shí)例的設(shè)備應(yīng)滿足或超過(guò)與每個(gè)實(shí)例關(guān)聯(lián)的介質(zhì)連接單元/物理層 （MUA/PHY） 的隔離要求。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果您的PD是沒有任何外部連接器的單個(gè)設(shè)備，并且完全封裝在塑料外殼中（例如安全攝像頭，PoE-LED燈泡，低成本IP電話等），則不需要隔離。在這種情況下，選擇非隔離電源解決方案，以簡(jiǎn)化和降低成本。

您的PD是否也需要由墻上適配器供電？
例如，IP 電話最有可能具有交流電源適配器輸入，以便在尚不可用 PoE 的建筑物中使用。如果要在 PoE 尚不可用的地方使用 PD，請(qǐng)選擇具有墻上適配器接口功能的 PD 接口。

您的 PD 是否需要低功耗待機(jī)模式才能滿足某些機(jī)構(gòu)要求？
越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)需要綠色電源功能，其中IP電話等設(shè)備在空閑時(shí)間（白天不使用）和睡眠時(shí)間（工作時(shí)間之外）消耗盡可能少的電力。選擇具有保持電源簽名 （MPS） 和低功耗休眠模式的 PD 接口控制器，以保證合規(guī)性并有助于為更環(huán)保的世界做出貢獻(xiàn)。

高效率重要嗎？
高效率可降低功率損耗，從而降低局部放電的散熱要求。 較低的散熱意味著更低的工作溫度，這意味著更高的可靠性。如果您的 PD 需要大量功率才能運(yùn)行，例如 60W，效率為 80% 的 PD 將需要 60W/80%=75W 的輸入功率，這超過(guò)了 71W 的最大 PoE 功率，使其與 PoE 不兼容。 然而，效率為 90% 的 PD 需要 60W/90%=67W 的輸入功率，這很好地屬于 8 類 （71W）。在這種情況下，高效率是必須的。此外，始終希望將 PD 分類為最低功率等級(jí)，以便系統(tǒng)中剩余的 PoE 功率可以分配給更多 PD 設(shè)備。高效率可以將您的臨界PD提升到下一個(gè)更低的功率等級(jí)。

選擇 PD 接口控制器

選擇 PD 接口控制器時(shí)，請(qǐng)考慮以下重要功能：

符合 IEEE 802.3af/at/bt 標(biāo)準(zhǔn)

1~4型PSE分類指示器或外部墻上適配器指示器輸出

簡(jiǎn)化的墻上適配器接口

多事件分類 0–8

智能媒體處理

休眠模式和超低功耗休眠模式

這些功能可以滿足前面提到的大多數(shù)效績(jī)數(shù)據(jù)要求。其余要求將由 DC-DC 控制器解決，稍后將對(duì)此進(jìn)行討論。表 3 中的選擇器指南顯示了一些推薦的 PD 接口控制器及其主要特性。

表 3：推薦的 PD 接口控制器

選擇非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

如果您的PD不需要隔離，那么高壓降壓轉(zhuǎn)換器將是滿足DC-DC轉(zhuǎn)換器需求的合適選擇。效率、總體解決方案尺寸和成本是重要的考慮因素。具有同步整流、寬輸入電壓范圍和高集成度等特性的器件支持這些考慮因素。圖4所示為滿足效率和尺寸要求的非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案示例。這是 3 類 PD。MAX5969B為PD接口，MAX17503為DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器（非隔離）。輸出為 5V/2.5A，峰值效率為 92%。

圖4.3類PD，使用MAX5969B和MAX17503進(jìn)行非隔離。

圖5提供了另一種非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的示例，該轉(zhuǎn)換器是使用MAXM15064 uSLIC電源模塊（5V/300mA）的1類解決方案。MAXM15064采用微型uSLIC 10引腳2.6mm×3.0mm×1.5mm封裝。

圖5.1類PD，使用MAX5969B和微型uSLIC電源模塊MAXM15064進(jìn)行非隔離。

選擇隔離式 DC-DC 控制器

如果您的PD需要隔離，那么反激式轉(zhuǎn)換器是合適的，可提供大約40W的功率（5類及以下）。能夠最大限度地減少所需元件數(shù)量的器件可以節(jié)省電路板空間和成本。例如，隔離式反激式控制器不需要光耦合器為輸出電壓調(diào)節(jié)提供反饋，可以節(jié)省多個(gè)外部元件以及相關(guān)的電路板空間和成本。此外，光耦合器會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，因此不使用光耦合器也會(huì)提高可靠性。

圖6所示為隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案的示例。它是 2 類 PD、5V/1A 輸出，可在 12V 至 57V 墻上適配器輸入電壓下工作。該方案使用MAX5969B作為PD接口，MAX17690作為無(wú)光耦反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖6.2類PD，使用MAX5969B和MAX17690隔離，無(wú)光耦合器。

為了進(jìn)一步提高反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率，可以用同步整流代替輸出整流二極管。圖7中的原理圖顯示了一個(gè)示例。

圖7.2類PD，使用MAX5969B和MAX17690隔離，MAX17606可選輸出同步FET驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)最高效率。

對(duì)于超過(guò)40W的輸出功率，即使反激式轉(zhuǎn)換器仍然可以正常工作，也建議使用有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器以提高效率。在較高的輸出功率下，效率對(duì)于減少PD中的散熱量非常重要。有源箝位正激轉(zhuǎn)換器由于其軟開關(guān)邊沿，還具有較低的電磁干擾（EMI）特征。圖8所示為有源鉗位正激DC-DC轉(zhuǎn)換器的示例。該轉(zhuǎn)換器在 700mA 時(shí)提供 57V 的隔離輸出電壓，在 91.5% 的峰值效率下總計(jì) 40W。

圖8.5類PD，使用MAX5969B和MAX17599隔離高功率，有源箝位正激DC-DC，可實(shí)現(xiàn)高效率和低EMI。

結(jié)論

隨著越來(lái)越多的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，只需在一根提供連接和電源的以太網(wǎng)電纜上運(yùn)行它們就是一種方便的選擇。此外，通過(guò)集中管理的交換機(jī)供電允許其他增強(qiáng)功能，例如遠(yuǎn)程開/關(guān)和不間斷運(yùn)行，即使在本地停電的情況下也是如此。

得益于最新的IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在可以通過(guò)PoE為更多類型的設(shè)備供電。隨著輸送功率的增加，對(duì)更高效率和更寬輸入電壓范圍的需求也在增加，以適應(yīng)復(fù)雜的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這需要仔細(xì)考慮PD控制器和DC-DC轉(zhuǎn)換器的選擇，以產(chǎn)生系統(tǒng)使用所需的穩(wěn)壓。

審核編輯：郭婷