單對(duì)以太網(wǎng)供電開辟了新的應(yīng)用前景

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-26

雖然通過(guò)以太網(wǎng)電纜供電的以太網(wǎng)供電技術(shù) (PoE) 已有多年歷史，但一直以來(lái)只有在 100 米或更短的距離內(nèi)具有吸引力?，F(xiàn)在，單對(duì)以太網(wǎng)供電 (SPoE) 改變了游戲規(guī)則。SPoE 是一種 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，允許使用以太網(wǎng)電纜中的單對(duì)雙絞線遠(yuǎn)距離供電和傳輸數(shù)據(jù)，從而為創(chuàng)新應(yīng)用開辟了新領(lǐng)域。

以太網(wǎng)使用四對(duì)雙絞銅線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，每對(duì)銅線傳輸一個(gè)方向的數(shù)據(jù)流，在設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛應(yīng)用。使用以太網(wǎng)的設(shè)備通常還需要采用單獨(dú)電源供電，從而增加了布線和安裝成本。

以太網(wǎng)供電 (PoE) 是作為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展而開發(fā)的，通過(guò)使用兩對(duì)電線傳輸數(shù)據(jù)，另兩對(duì)電線為設(shè)備供電，從而使設(shè)備能夠通過(guò)同一根電纜接收數(shù)據(jù)和電源。

PoE 可在最長(zhǎng) 100 米的距離內(nèi)提供高達(dá) 90 W 的功率。這催生了 PoE 應(yīng)用，如 IP 攝像頭、無(wú)線接入點(diǎn)、VoIP 電話和智能照明系統(tǒng)，這些應(yīng)用可通過(guò)一根電纜進(jìn)行部署和供電。然而，除了傳輸距離限制外，PoE 還面臨其他挑戰(zhàn)，包括需要體積龐大、價(jià)格昂貴的連接器和電纜來(lái)處理大電流和高電壓、功率損耗和散熱等問(wèn)題。

介紹 SPoE

SPoE 僅用一對(duì)電線傳輸數(shù)據(jù)和提供電源，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1 Gbps，傳輸功率可達(dá) 52 W，電纜長(zhǎng)度可達(dá) 1 千米（圖 1），所用的連接器和電纜體積較小、成本較低，且與現(xiàn)有 RJ45 插座兼容。

圖 1：傳輸功率高達(dá) 52 W 的 SPoE 系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：[Analog Devices]

SPoE 可降低成本，簡(jiǎn)化實(shí)施，非常適合工業(yè)、汽車、樓宇自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中廣泛的應(yīng)用，在這些環(huán)境中，開始新的布線或僅依靠無(wú)線局域網(wǎng)要么不切實(shí)際，要么成本高昂，要么這兩個(gè)問(wèn)題同時(shí)存在。這項(xiàng)技術(shù)可提供全面的系統(tǒng)遙測(cè)功能，用于監(jiān)控輸電狀態(tài)，進(jìn)行故障檢測(cè)和過(guò)壓保護(hù)。

在工業(yè)環(huán)境中，SPoE 可與遠(yuǎn)距離為傳感器和控制設(shè)備供電，但不會(huì)增加本地電源，從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，降低了安裝成本，以及實(shí)現(xiàn)集中化電源管理。SPoE 可通過(guò)現(xiàn)有以太網(wǎng)線路供電，使 SPoE 交換機(jī)和終端的添加過(guò)程快速而相對(duì)簡(jiǎn)單。

SPoE 是 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的一部分——IEEE 802.3 cg 用于通過(guò)單雙絞線 (10Base-T1L) 實(shí)現(xiàn) 10 Mbps 以太網(wǎng)，是 IEEE 802.3bu 數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展。PoDL 可用于最長(zhǎng) 40 米的系統(tǒng)，電壓為 12 V 、24 V 或 48 V；SPoE 可用于最長(zhǎng) 1000 米的系統(tǒng)，電壓為 24 V 或 55 V。

SPoE 非常適合需要中低功耗、遠(yuǎn)距離、高數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用，而這對(duì)于 PoE 來(lái)說(shuō)是不可行或不經(jīng)濟(jì)的。

SPoE 的潛在應(yīng)用包括：

• 對(duì)過(guò)程控制和自動(dòng)化而言，可靠的通信和輸電是至關(guān)重要的運(yùn)行技術(shù)系統(tǒng)
• 可監(jiān)控環(huán)境和機(jī)械參數(shù)的樓宇和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)
• 可更靈活、更經(jīng)濟(jì)地部署傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)儀器
• 安全系統(tǒng)，如門禁控制和監(jiān)控系統(tǒng)、在這些應(yīng)用中 SpoE 更易于擴(kuò)展
• 需要持續(xù)運(yùn)行并保持連接的交通管理系統(tǒng)
• 為物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備供電并進(jìn)行管理
• 為數(shù)字標(biāo)牌和戶外照明遠(yuǎn)程供電

SPoE 的設(shè)計(jì)考慮因素

SPoE 使用“Phantom 電源”技術(shù)，在同一對(duì)電線上將電源和數(shù)據(jù)疊加在一起，因此需要在電纜兩端安裝復(fù)雜的控制器，以分離和調(diào)節(jié)電源和數(shù)據(jù)信號(hào)。應(yīng)用中還必須考慮到電纜的功率損耗和散熱。這兩個(gè)問(wèn)題會(huì)影響系統(tǒng)性能和可靠性。

電源設(shè)備 (PSE) 控制器可實(shí)現(xiàn)精密的電源管理和轉(zhuǎn)換，并確保安供電全、穩(wěn)定和高效。該設(shè)備與通過(guò)雙線電纜接收電源的供電設(shè)備 (PD) 控制器配合使用。

為多通道設(shè)計(jì)的 PSE 控制器可為傳感器等各種遠(yuǎn)程設(shè)備供電。例如，Analog Devices, Inc. (ADI) 的 [LTC4296-1]（圖 2）是一款 5 端口 SPoE 控制器，可通過(guò)五條線路為最多五個(gè)負(fù)載供電，每條線路長(zhǎng)達(dá) 1000 米。該器件使用外部低漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ）、N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 供電，可最大程度地減少壓降并確保應(yīng)用穩(wěn)定。

圖 2：ADI 的 5 端口 LTC4296-1 電源設(shè)備 (PSE) 控制器（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

LTC4296-1 為 10BASE-T1L 控制器和開關(guān)提供了一個(gè)多功能 SPoE、PSE 解決方案，并可與 ADI 的 10BASE-T1L 收發(fā)器組合元件輕松集成（例如 [ADIN2111CCPZ-R7]雙端口器件），該器件集成了一個(gè)開關(guān)、兩個(gè)以太網(wǎng)物理層 (PHY) 內(nèi)核（帶一個(gè) MAC 接口和相關(guān)模擬電路）、一個(gè)供電電壓監(jiān)控電路和上電復(fù)位 (POR) 電路。收發(fā)器可通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 與各種控制器直接連接。

此外，[LTC9111RDE#PBF]是 ADI 推出的幾款 PD 控制器之一，工作電壓范圍為 2.3 V 至 60 V，且具有極性校正功能（圖 3）。該控制器管理線路傳輸?shù)姆诸惡捅O(jiān)控，在分類期間以微功耗形式驅(qū)動(dòng)兩個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 開關(guān)，以最大限度地降低儲(chǔ)能電容器要求。外部 N 溝道 MOSFET 開關(guān)在分類和浪涌期間將輸出電容與連接器隔離。

圖 3：LTC4296-1 SPoE PSE 控制器適用于驅(qū)動(dòng)多達(dá)五個(gè)通道，此處與 LTC9111 PD 控制器相連。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

LTC9111 系列控制器向 PSE 提供有效的喚醒簽名，以請(qǐng)求供電。符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的 PSE 和 PD 控制器采用串行通信分類協(xié)議執(zhí)行分類步驟；PSE 確保 PD 兼容，如果兼容，則繼續(xù)提升端口電壓。如果運(yùn)行的電氣設(shè)備需要 24 V 或 55 V 以外的電壓，則需要使用另外的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

ADI 還提供 [EVAL-SPoE-KIT-AZ]評(píng)估套件，用于評(píng)估通過(guò)單根雙絞線以太網(wǎng) (SPE) 電纜傳輸?shù)?10BASE-T1L 數(shù)據(jù)和 SPoE 功率。該套件采用 LTC4296-1 PSE 控制器和 LTC9111 PD，用于評(píng)估 IEEE 802.3cg 10 至 15 類 SPoE 功率，以及在系統(tǒng)中提供數(shù)據(jù)的 10BASE-T1L 收發(fā)器。

實(shí)施 SPoE 應(yīng)用

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要優(yōu)化 SPoE 解決方案的功率預(yù)算和效率，并考慮電纜長(zhǎng)度、直徑、電阻、溫度和環(huán)境等參數(shù)。

在單根雙絞線上同時(shí)傳輸電源和數(shù)據(jù)時(shí)，存在這兩者之間的平衡問(wèn)題，例如既要確保向遠(yuǎn)程設(shè)備提供足夠的電源，又要在潛在的長(zhǎng)距離上保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

在許多 OT 部署中采用的 24 VDC 常見電源電壓下，通過(guò)長(zhǎng)電纜輸電會(huì)因電纜電阻而產(chǎn)生大量損耗。IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，SPoE 的工作電壓為 24 V 或 55 V，因此設(shè)計(jì)人員可以采用接近 60 V 最高安全超低電壓 (SELV) 的電壓來(lái)提高供電效率。

審核編輯 黃宇