正確地選擇PD零件，讓設(shè)備具備可升級(jí)性和后向兼容性

以太網(wǎng)供電 (PoE) 提供了便捷實(shí)用的方法，可通過(guò)同一根電纜提供網(wǎng)絡(luò)連接和電源。但是，隨著它的演進(jìn)，設(shè)計(jì)人員必須設(shè)法解決諸多問(wèn)題，例如前向和后向兼容性、配置選擇、電纜選擇，以及選擇合適的接口 IC。

這些 IC 不僅必須具備核心 PoE 功能，設(shè)計(jì)人員還必須確認(rèn)它們具有最新功能，從而確保安全的功率輸送。

在兼容性方面，無(wú)論是升級(jí)現(xiàn)有的以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)，還是設(shè)計(jì)新的 PoE 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員都必須選擇 802.3af 或 802.3at 這兩個(gè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)；或是選擇 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn)。雖然選擇的標(biāo)準(zhǔn)可能是基于項(xiàng)目預(yù)算或所需功率大小，但在設(shè)計(jì)時(shí)，最為明智的做法就是既考慮未來(lái)的容量要求，同時(shí)又確保它具備后向兼容性。

設(shè)計(jì)人員還必須確定哪一種 PoE 配置適合目標(biāo)系統(tǒng)。在為使用老式以太網(wǎng)電纜的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)添加 PoE 時(shí)，配置選項(xiàng)可能受限。

在選擇使用何種電纜方面，標(biāo)準(zhǔn)和拓?fù)涞倪x擇以及環(huán)境都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。選用錯(cuò)誤的電纜可能會(huì)限制系統(tǒng)的功率，并且妨礙未來(lái)的擴(kuò)展。

本文將回顧 PoE 的基礎(chǔ)知識(shí)及其演進(jìn)歷程。然后，將介紹設(shè)計(jì)人員可用來(lái)解決諸多問(wèn)題的解決方案，最后還將探討使用智能照明的 PoE 應(yīng)用。

PoE 的演進(jìn)

PoE 可通過(guò)同一根 CAT5e 電纜提供電源和 100/1000Base-T 以太網(wǎng)通信，進(jìn)而簡(jiǎn)化連接。其對(duì)以太網(wǎng)雙絞線通信不會(huì)有絲毫影響。但對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和額外布線成本。PoE 還具有電源集中化這一優(yōu)點(diǎn)，因此可以輕松管理所有以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電源。這樣一來(lái)，還可為所有連接系統(tǒng)提供易于管理的備用電源。

隨著 PoE 應(yīng)用擴(kuò)展，IEEE 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)推出了更高版本的全新電源標(biāo)準(zhǔn)，從原有的 2003 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)到 2009 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)（也稱為 PoE plus），在兩種標(biāo)準(zhǔn)中，端口提供的功率分別為 15 瓦特和 25 瓦特。最新的更新版本 802.3bt PoE 預(yù)期將于 2018 年推出，每個(gè)端口可提供最高 100 瓦特的功率。

請(qǐng)注意，所有標(biāo)準(zhǔn)都保持與前幾代 PoE 標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容性。由于效率至關(guān)重要，PoE 標(biāo)準(zhǔn)還指定了通過(guò) CAT5e 屏蔽雙絞線電纜傳輸過(guò)程中可以損耗的功率。

PoE 電纜考慮因素

在 PoE 系統(tǒng)中，可對(duì) CAT5 電纜施加 48 伏特的差分電壓。該電壓可施加于傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)對(duì)，而且不會(huì)干擾數(shù)據(jù)通信。另外還有一種情況，CAT5e 電纜上會(huì)有兩條備用雙絞線，因此可對(duì)該雙絞線施加 48 伏特電壓，以簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)。對(duì)于工廠或建筑應(yīng)用，工業(yè) CAT5e 電纜是首選，因?yàn)樗鼈兡軌蚰褪軔毫迎h(huán)境和不當(dāng)使用，例如摔門、拉伸或彎曲。

CAT5e 電纜的一個(gè)典型例子是Panduit Corp的ISTPHCH5MRD模塊化 CAT5e 以太網(wǎng)電纜。（圖 1）。它有四條雙絞線，且其設(shè)計(jì)符合現(xiàn)有的 IEEE 802.3af/at PoE 標(biāo)準(zhǔn)，包括最大程度減少由于遠(yuǎn)距離傳輸而導(dǎo)致的功率損耗。這些 CAT5e 電纜能夠阻燃、耐受溶劑以及承受扭曲、夾擠和其他嚴(yán)重不當(dāng)使用，因而非常適合條件惡劣的工業(yè)應(yīng)用。

圖 1：Panduit ISTPHCH5MRD CAT5e 工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)電纜的橫截面顯示了四條 24AWG 銅線雙絞線。該電纜配有重泡沫絕緣膠帶，因此能夠防止夾擠。（圖片來(lái)源：Panduit Corp.）

PoE 功率輸送配置

PoE 系統(tǒng)的一端是以太網(wǎng)連接的起點(diǎn)，通常為交換機(jī)或集線器。而另一端，電纜則會(huì)端接需要以太網(wǎng)連接和電源的設(shè)備。所有這些設(shè)備都稱為用電設(shè)備 (PD)。

在 PoE 中，供電設(shè)備 (PSE) 會(huì)對(duì)以太網(wǎng)電纜施加所需的 48 伏特差分電壓。如果 PSE 位于以太網(wǎng)交換機(jī)或集線器中，則根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，其被稱為“端點(diǎn) PSE”。IEEE 標(biāo)準(zhǔn)為端點(diǎn) PSE 提供了兩種備選配置，以為電纜供電。在備選方案 A 中，PSE 在傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的兩條雙絞線兩端施加差分電壓。在使用僅有兩條屏蔽雙絞線的 CAT5 電纜時(shí)，這是唯一的選項(xiàng)。

在備選方案 B 中，PSE 會(huì)在兩條備用雙絞線兩端施加電壓。對(duì)于 CAT5e 和其他帶有四條雙絞線的電纜，這是首選的方法。

如果電纜被截?cái)?，則 PSE 會(huì)在交換機(jī)/集線器與 PD 之間的位置施加電壓，這種情況被稱為中跨 PSE。這種配置也支持按照備選方案 A（電力通過(guò)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)雙絞線傳輸）和備選方案 B（電力通過(guò)兩條備用雙絞線傳輸）供電。

PoE 硬件類型

這些 PoE 供電方法與現(xiàn)有 PoE 標(biāo)準(zhǔn) 802.3af/at 相同。IEEE 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，將能通過(guò)所有四條雙絞線供電，并兼容 10G-Base-T 標(biāo)準(zhǔn)（圖 2）。

PSE 和 PD PoE 設(shè)備根據(jù)以下類型進(jìn)行分類：

• 類型 1 利用兩條雙絞線上的電壓，兼容 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)，15 瓦特

• 類型 2 利用兩條雙絞線上的電壓，兼容 802.3at 標(biāo)準(zhǔn)，30 瓦特

• 類型 3 利用四條雙絞線上的電壓，兼容 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn)，60 瓦特

• 類型 4 利用四條雙絞線上的電壓，兼容 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn)，100 瓦特

圖 2：802.3af/at 標(biāo)準(zhǔn)的兩端點(diǎn) PSE 配置和中跨 PSE 配置。建議將端點(diǎn) PSE 備選方案 A 用于使用 CAT5e 電纜的新系統(tǒng)，而中跨 PSE 可以更容易地為現(xiàn)有系統(tǒng)添加 PoE。中跨 PSE 也支持備選方案 A。（圖片來(lái)源：IEEE 802.3at 規(guī)格）

PoE 握手

當(dāng) PSE 檢測(cè)到帶 PD 的新網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，將在 PSE 和 PD 之間發(fā)起短握手協(xié)議。對(duì)于 PSE 而言，這次握手首先要確定設(shè)備是否確實(shí)為 PD，而且需要電源。然后，PSE 必須確定 PD 需要多大的功率。從 PD 的角度來(lái)看，這次握手將確定 PSE 能夠提供多大的功率。最終，通過(guò)這次握手，PSE 能夠安全地為 PD 供電，如果 PSE 檢測(cè)到 PD 已斷開(kāi)連接，還可以安全地停止供電。

在握手過(guò)程中，PD 在 PSE 電壓下保持特定的電阻，稱為檢測(cè)簽名電阻，可用于限制電壓脈沖過(guò)程中的涌流?；谟苛?，PSE 將根據(jù)其功率要求，將 PD 分類為上文所述的類型 1 - 4。但是，當(dāng) PSE 檢測(cè)到 PD 上的新電流消耗時(shí)，它將向 PD 發(fā)送電壓脈沖，以再次確定 PD 需要多大的功率。

PD 接口

對(duì)于構(gòu)建新 PD 的開(kāi)發(fā)人員而言，PoE 接口必須是可升級(jí)，或者可兼容新的 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn)，而且仍然后向兼容以前的標(biāo)準(zhǔn)。PD 接口 IC 的靈活性至關(guān)重要，Texas Instruments的TP2372高功率 PoE PD 接口即可提供這種靈活性（圖 3）。

圖 3：用于智能照明應(yīng)用的 TPS2372 的推薦電路，包含配置 MPS 電流的外部電阻 (RMPS)、MPS 占空比 (RMPS_DUTY)、檢測(cè)簽名 (RDET)。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

TP2372 符合現(xiàn)有的 IEEE 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn)，并且可后向兼容 802.3af/at 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于設(shè)計(jì)兼容所有 PoE 系統(tǒng)的照明 PD 的工程師而言，TP2372 的一大重要特性是它能夠限制輸入電流。如果 PD 連接到某個(gè)系統(tǒng)，但其中的 PSE 沒(méi)有進(jìn)行任何限流，則這種特性非常重要。

例如，在最初的部分 PoE 工業(yè)照明系統(tǒng)中，使用了一些老式的中跨 PSE 設(shè)備，沒(méi)有任何限流保護(hù)。此外，有些早期 PSE 會(huì)在沒(méi)有握手的情況下，在電纜上施加電壓，因此需要 PD 進(jìn)行限流。TPS2372 中的限流讓 PD 能夠安全連接到幾乎所有 PSE。

TPS2372 是完全可配置的，即可使用外部電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)各種特性，例如 MPS 電流和占空比、PoE 類型類別。請(qǐng)注意，可以手動(dòng)設(shè)置配置，也可啟用自動(dòng)設(shè)置進(jìn)行配置。TPS2372 還能處理與 PSE 的所有握手，基于 PSE 的類型，自動(dòng)協(xié)商 MPS 電流和占空比。

為了便于開(kāi)發(fā)，TI 的TPS2372-4EVM-006評(píng)估板也為 TPS2372 提供支持，該評(píng)估板支持高功率 802.3bt PoE 應(yīng)用以及現(xiàn)有的 802.3af/at 標(biāo)準(zhǔn)。

TPS2372-4EVM-006 評(píng)估板帶有跳線，可用來(lái)配置 PD 參數(shù)，例如 MPS 占空比和 PoE 類型。它擁有兩個(gè)以太網(wǎng)連接器，其中額外的連接器用于千兆位以太網(wǎng)數(shù)據(jù)直通。

在使用 TPS2372 的設(shè)計(jì)布局中，務(wù)必要最大程度地減少潛在信號(hào)、EMI/ESD 和功率干擾。為此：

• 從 RJ-45 連接器到以太網(wǎng)變壓器、TVS 二極管、0.1 微法拉 (μF) 電容器和 CBULK的電源和地面走線應(yīng)該盡可能短，并與數(shù)據(jù)分離。

• 在從電源到用電設(shè)備的路徑上，應(yīng)該使用寬電源走線、成對(duì)信號(hào)和返回走線。不要讓任何信號(hào)從功率流的一端穿越到另一端。

• TPS2372 應(yīng)該放置在印刷電路板（PC 板）上，位于分割局部地平面上，其中，PoE 的那一半部分以 VSS為基準(zhǔn)，而轉(zhuǎn)換器的那一半部分以 RTN 為基準(zhǔn)。

• 不要將邏輯接地或電源走線布置在以太網(wǎng)輸入或初級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器下方。

• 使用安全的布線程序，例如 IEC60950 中指定的程序，將 48 伏特輸入電壓與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入相隔離。若覆銅區(qū)域和走線用于耗電的 SMT 器件以及位于 RJ-45 連接器下方，則應(yīng)該使用較大的覆銅區(qū)域和走線。

PoE 應(yīng)用：智能照明

現(xiàn)代化的建筑物和工廠非常重視能效。日光燈管照明曾經(jīng)在這些應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們很容易升級(jí)為高輸出低功耗的 LED 照明。相對(duì)于日光燈和白熾燈照明，LED 具有明顯的優(yōu)勢(shì)。最重要的是 LED 照明的能效要高得多，在特定的輸入功率下能發(fā)出更多光。LED 照明的發(fā)熱量非常小，也不需要對(duì)于日光燈而言必不可少的鎮(zhèn)流器。

隨著 LED 的使用，每件燈具的功耗均有所降低，而 PoE 這種布線方案的使用也越來(lái)越普遍，它既能提供足夠的電能來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 照明，又能提供遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 智能連接。

智能照明意味著可以遠(yuǎn)程打開(kāi)和關(guān)閉照明系統(tǒng)，可以按照程序設(shè)定的時(shí)間表予以打開(kāi)和關(guān)閉，或者在傳感器檢測(cè)到占位時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉。

在實(shí)施中，單個(gè)以太網(wǎng)端點(diǎn)可能連接到多個(gè)照明節(jié)點(diǎn)。例如，從交換機(jī)或集線器，將單個(gè)命令發(fā)送到包含八個(gè)照明節(jié)點(diǎn)的單個(gè)基于以太網(wǎng)的設(shè)備，可命令這些節(jié)點(diǎn)僅打開(kāi)第四個(gè)燈和第七個(gè)燈，而關(guān)閉其他燈。

PoE 系統(tǒng)必須連接到采用適當(dāng) LED 的燈具，包括在輸出（以流明為單位）、色溫（以開(kāi)爾文為單位）和功耗等方面。LED 制造商Wurth Electronics推出了面向工業(yè)照明和一般室內(nèi)照明的產(chǎn)品系列。

例如，158301250冷白光 5000K LED 的尺寸僅為 3 mm x 1.4 mm，但每瓦特功率能夠發(fā)出 133 流明的光，因而具有極高的能效，特別適用于基于 PoE 的工業(yè)照明應(yīng)用。對(duì)于定制照明，可以根據(jù)特定系統(tǒng)要求，將多個(gè) LED 燈焊接到單個(gè)板上。

圖 4：Wurth Electronics 的 158301250 LED 采用了 PLCC 封裝，可在任何配置中進(jìn)行表面貼裝。（圖片來(lái)源：Wurth Electronics）

在 LED 采用 PoE 進(jìn)行照明的情況下，不僅要降低每個(gè) PD 的工作電流，還要減少 PoE 待機(jī)電流，這一點(diǎn)非常重要。如果確定 PD 上的建筑照明燈必須關(guān)閉，則現(xiàn)有的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)要求每個(gè) PD（也就是 MPS）必須向 PSE 發(fā)出請(qǐng)求，在占空比為 20% 的情況下，電流消耗為 10 mA。MPS 告知 PSE：該 PD 仍處于連接狀態(tài)。因而平均 MPS 電流消耗為 2 mA。

新的 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 MPS 占空比應(yīng)降低到 1.875%，進(jìn)而使平均 MPS 電流消耗減少十倍，達(dá)到 0.2 mA。

總結(jié)

PoE 可以極大地簡(jiǎn)化辦公室或工業(yè)應(yīng)用中的智能照明系統(tǒng)的實(shí)施。選擇合適的電纜能夠確保可靠的功率輸送，而定制照明應(yīng)用則適合使用高效率 LED。正確地選擇 PD 零件，可讓設(shè)備具備可升級(jí)性和后向兼容性，從而構(gòu)建安全可靠的系統(tǒng)，在智能網(wǎng)絡(luò)配置中持續(xù)多年高效工作。