通過(guò)數(shù)據(jù)線為以太網(wǎng)設(shè)備供電

在過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中，必須監(jiān)測(cè)和測(cè)量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數(shù)。在工業(yè)4.0時(shí)代，以太網(wǎng)是一種流行的通信標(biāo)準(zhǔn)。由于以太網(wǎng)是有線的，而變送器和傳感器通常需要電源，因此出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：為什么不使用以太網(wǎng)電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電？

本文介紹以太網(wǎng)設(shè)備如何同時(shí)使用電纜傳輸數(shù)據(jù)和供電。以太網(wǎng)供電（PoE）系統(tǒng)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并將在未來(lái)發(fā)揮重要作用。

PoE 標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò) Cat-5 電纜供電在 IEEE 802.3af 以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)中定義。PoE 標(biāo)準(zhǔn)過(guò)去僅限于幾瓦，但較新的 PoE 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的功率。例如，PoE+ 允許每個(gè)端口高達(dá) 25 W 的功率，PoE++（四對(duì)以太網(wǎng)供電系統(tǒng)）通過(guò)使用現(xiàn)有電纜的所有電線，功率范圍為 70 W 至 100 W。在此PoE標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，ADI公司還定義了專有標(biāo)準(zhǔn)LTPoE++?，其中定義了高達(dá) 90 W 的受電設(shè)備 （PD） 功率規(guī)格（請(qǐng)參閱表 1）。

LTPoE++ 降低了 PoE 系統(tǒng)相對(duì)于類似解決方案的技術(shù)復(fù)雜性。即插即用功能、易于實(shí)施以及安全、可靠的電源是 LTPoE++ 的進(jìn)一步特性。此外，LTPoE++是可互操作的，并且與IEEE的標(biāo)準(zhǔn)PoE規(guī)范向后兼容。但是，由于系統(tǒng)中的損耗以及電纜損耗，實(shí)際可用功率略低于指定的PD功率，PoE+和PoE++也是如此。

PoE 組件

基本上，通過(guò)以太網(wǎng)電纜為設(shè)備供電需要兩個(gè)組件：用電設(shè)備和供電設(shè)備 （PSE）。

圖1.顯示 PoE 系統(tǒng)主要組件的框圖。

PSE的任務(wù)是像電源一樣提供電力，而PD接收電力并使用它（負(fù)載）。PSE 設(shè)備在通電時(shí)具有簽名過(guò)程，以保護(hù)不兼容的設(shè)備在連接時(shí)免受損壞。這涉及首先檢查PD的簽名電阻。僅當(dāng)該值正確（25 kΩ）時(shí)，PD才會(huì)供電。如果 PSE 檢測(cè)到 PD，則從分類開(kāi)始;也就是說(shuō)，確定所連接設(shè)備的功率要求。為此，PSE施加定義的電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流。PD 根據(jù)當(dāng)前水平分配給功率等級(jí)。如果一切正確，將提供完整的電壓和電流。一旦提供PD，它的任務(wù)就是將–48 V的PoE電壓轉(zhuǎn)換為適合終端設(shè)備的電源電壓。在典型的PD設(shè)計(jì)中，使用額外的DC-DC轉(zhuǎn)換器（二極管橋控制器）。它的任務(wù)是調(diào)整或滿足PD提供的組件的功率要求。 較新的IC已經(jīng)提供了將接口和DC-DC轉(zhuǎn)換器集成到單個(gè)組件中的可能性，以實(shí)現(xiàn)低功耗等級(jí)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

由于 PD 必須根據(jù) IEEE 802.3 PoE 規(guī)范在其以太網(wǎng)輸入端接受任意極性的直流工作電壓，因此 PD 輸入端前面需要兩個(gè)二極管橋。因此，無(wú)論使用何種線對(duì)，PD也適用于反極性。

PD 實(shí)施變得簡(jiǎn)單

利用 ADI 公司的 LT4276，存在一款具有集成隔離式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的 LTPoE++、PoE+- 和 PoE 兼容型 PD 控制器。它可以同時(shí)用于正激式和反激式拓?fù)洌⑼焦ぷ髟?2 W 至 90 W 的功率等級(jí)下。與同樣具有集成功率 MOSFET 的較低功率等級(jí)的傳統(tǒng) PD 控制器不同，LT4276 提供了驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部 MOSFET 的選項(xiàng)。通過(guò)這種方式，PD減少了損失并提高了效率。

由于 IEEE 802.3 以太網(wǎng)規(guī)范要求與器件外殼的接地連接進(jìn)行電氣隔離，因此 LTC4290 / LTC4271 隔離式控制器芯片組適合用作 PSE。LTC4271 在非隔離側(cè)代表與 PSE 主機(jī)的數(shù)字接口，而 LTC4290 在隔離側(cè)提供以太網(wǎng)接口。這兩個(gè)組件通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)變送器連接。通過(guò)這種強(qiáng)大的PSE芯片組設(shè)計(jì)，可以避免用于產(chǎn)生隔離電源的額外組件。

如果將PD側(cè)全橋整流器的兩個(gè)二極管替換為理想二極管，則可以提高整個(gè)PoE系統(tǒng)的功率和效率。因此，MOSFET的使用和控制使其像典型的二極管一樣工作。這樣，由于通道電阻低（RDS（ON）).利用 LT4321 理想二極管橋控制器與 LT4295 PD 控制器的組合，可在全脊型配置中控制 3 個(gè) MOSFET （參見(jiàn)圖 <>）。

圖2.PoE 電路示例。

圖3.傳統(tǒng)二極管整流與通過(guò)二極管橋式控制器驅(qū)動(dòng)。

借助 PoE，以太網(wǎng)設(shè)備可以在通過(guò) RJ45 電纜進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)供電。ADI公司開(kāi)發(fā)了自己的專有標(biāo)準(zhǔn)LTPoE++，與傳統(tǒng)PoE標(biāo)準(zhǔn)并行支持高達(dá)90 W的功率。LTPoE++ 提供穩(wěn)健的端到端高功率 PoE 解決方案，可簡(jiǎn)化電源和設(shè)計(jì)。

新的計(jì)時(shí)?產(chǎn)品組合是ADI公司面向創(chuàng)新工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的產(chǎn)品組合。它包括實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)、PHY 和協(xié)議處理產(chǎn)品，以及完整的網(wǎng)絡(luò)接口產(chǎn)品。ADI公司發(fā)布了兩款新的穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，ADIN1300（具有10 Mbps至1 Gbps范圍）和ADIN1200（具有10 Mbps至100 Mbps范圍），從而擴(kuò)展了Chronous產(chǎn)品組合。通過(guò)將這些新型PHY與ADI的PoE技術(shù)相結(jié)合，Chronous產(chǎn)品組合可為電源和數(shù)據(jù)提供一流的系統(tǒng)級(jí)解決方案。

審核編輯：郭婷