適用于樓宇自動化系統(tǒng)的以太網(wǎng)供電方案

以太網(wǎng)供電（PoE）提供了一種使用單根電纜為遠程設(shè)備提供電源和數(shù)據(jù)連接的便捷方式。這使其成為一種非常適合樓宇自動化系統(tǒng)的電力傳輸解決方案，并且有望解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的許多問題，這些問題通?；趯Ｓ袇f(xié)議和連接的混合。

許多建筑物已經(jīng)提供了基于10BaseT和100BaseT以太網(wǎng)所需的5類電纜的大規(guī)模數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。這減少了連接各種樓宇自動化設(shè)備所需的新布線數(shù)量，例如IP視頻攝像機和RFID讀取器以及可以為無線電池供電的傳感器節(jié)點提供擴展連接的無線接入點。

PoE利用Cat5電纜包含四對電線的事實。雖然后來，高速以太網(wǎng)標準在所有四對上傳輸數(shù)據(jù)，但只有兩對用于發(fā)送10Base-T和100Base-T標準的比特。

最新版本的IEEE 802.3af PoE標準可以為遠程設(shè)備提供高達25 W的功率，一些供應(yīng)商超出了標準中的一些限制，將其擴展到超過50 W或提高整體效率。將對數(shù)量加倍的較低的總阻力減少了傳輸損耗。 IEEE已經(jīng)成立了一個工作組來制定四對PoE標準，以便提高功率輸出并提高效率。工作組希望該標準在2017年準備好。

圖1：由IEEE 802.3af連接供電的系統(tǒng)的概念視圖。

標準中設(shè)置了限制，以確保一束電纜內(nèi)的導(dǎo)線電阻引起的自熱不會過大。 Cat5電纜使用24 AWG導(dǎo)線，傳統(tǒng)上認為在50 V時可以安全地承載高達360 mA的導(dǎo)線，并且具有高裕度以允許各種電纜的電阻差異。如果一半導(dǎo)體用于承載電源，則可以提供高達36 W的電流。 100米電纜的電壓降 - 雙絞線以太網(wǎng)的額定最大長度 - 意味著遠端設(shè)備原則上從兩對接收的功率不到32 W。轉(zhuǎn)向Cat6布線可降低電阻，這可以更容易地支持未來四對PoE標準的更高功率傳輸。

電源本身可以通過也處理數(shù)據(jù)的PoE交換機提供，或者它可以通過中跨設(shè)備沿著電纜進一步提供。該中跨噴射器可用于從太陽能電池板向安裝在室外的各個設(shè)備（例如IP攝像機）提供能量。

雖然有兩個未使用的對可以專用于通過10Base-T或100Base-T以太網(wǎng)連接供電，但該標準允許使用數(shù)據(jù)傳輸對。模式A使用數(shù)據(jù)對;模式B通過備用線對提供電力。

通過以太網(wǎng)使用差分信號發(fā)送比特，將PoE支持擴展到1000Base-T設(shè)備，使數(shù)據(jù)對上的電源成為可能?；谧儔浩鞯倪B接可確保來自電源的高電流不會影響數(shù)據(jù)電路。

模式A使用引腳1和2來承載電源軌，引腳3和6用于返回。模式A另外支持兩種配置，以允許交換連接的極性。這允許使用交叉電纜或跳線電纜以及使用電纜類型自動檢測的系統(tǒng)供電。在模式B中，引腳4和5為直流電軌提供7和8用于返回。

供電設(shè)備（PSE）確定應(yīng)采用哪兩種方案向受電設(shè)備（PD）提供能量。但是，兼容的PD必須同時支持模式A和B.它表示它可以通過在數(shù)據(jù)對之間放置一個25kΩ的電阻在任一模式下接收功率。

當PD連接到PoE系統(tǒng)時，它會按順序轉(zhuǎn)換到幾種操作模式，包括檢測，分類，開啟和正常DC操作。每種工作模式都使用特定的電壓范圍，所有電壓范圍均由PSE提供。在檢測期間，PSE探測簽名電阻。如果PSE發(fā)現(xiàn)這些對之間的電阻太高，它將拒絕為設(shè)備供電。分類是PSE用于確定每個連接的PD的功率要求的可選模式，因此分配最合適的當前級別。這再次使用電阻器。它的值決定了使用四個當前類中的哪一個，放在引腳4和7之間。

圖2：PoE的設(shè)置和操作階段及其相關(guān)電壓。

由于PoE下可用的選項范圍以及PD需要遵循協(xié)議以便能夠繪制他們需要的功率，專用DC/DC轉(zhuǎn)換器或現(xiàn)有功率轉(zhuǎn)換器的前端設(shè)備是必需的。前端設(shè)備通常擴展PoE的功能以支持其他電源選項。一個例子是德州儀器（Texas Instruments）生產(chǎn)的LM5073。 LM5073為PD提供了靈活性，可以接受來自未調(diào)節(jié)輔助電源（如AC適配器和太陽能電池）的電源。提供專為熱插拔支持而設(shè)計的100 V MOSFET和可編程直流限流器，可以處理符合IEEE 802.3af標準的設(shè)備兩倍的功率水平。此外，100 V最大額定電壓簡化了瞬態(tài)電壓抑制器的選擇，可以保護PD免受網(wǎng)絡(luò)瞬變的影響。

為了支持集成，LM5073集成了PD特征電阻，并能夠使用電流源對分類電阻進行編程。支持浪涌電流限制，可編程欠壓鎖定（UVLO）和熱關(guān)斷進一步簡化了PD實現(xiàn)。

要使用LM5073等器件，系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器需要軟啟動功能，以便它可以控制啟動期間的輸入電流。軟啟動過程可減少浪涌電流的浪涌，并消除啟動期間輸出電壓過沖的任何趨勢。轉(zhuǎn)換器需要足夠慢地啟動，以使輸入電流不超過PD接口的熱插拔MOSFET直流電流限制或PSE的電流限制。否則PD將無法正常啟動。

LM5073接受兩種不同的輔助電源配置。前輔助（FAUX）模式允許輔助源通過OR二極管配置與以太網(wǎng)電源并聯(lián)使用。第二種配置是后輔助（RAUX）選項，其中輔助電源完全繞過PoE接口，并通過二極管直接連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入。如果輔助電源電壓類似于PoE輸入電壓，則需要FAUX選項。但是，當輔助電源電壓遠低于PoE輸入電壓時，RAUX選項更合適，因為來自輔助電源的電流不受熱插拔MOSFET電流限制的限制。

圖3：TI LM5073設(shè)計用作DC/DC轉(zhuǎn)換器的PoE前端。

另一種選擇是凌力爾特公司的LTC4267 。它是一個PoE PD接口，帶有自己的集成開關(guān)穩(wěn)壓器，可為3.3 V時需要高達1.5 A電流的系統(tǒng)提供完整的電源解決方案.LTC4267集成了所需的25kΩ特征電阻，用于分類階段的電流源，熱量過載保護和欠壓鎖定，采用100 V，400 mA的MOSFET，通過相對便宜的電壓抑制器為后端電子設(shè)備提供高度保護。

LTC4267上的電流模式開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計用于驅(qū)動額定電壓為6 V的N溝道MOSFET，并具有可編程斜率補償，軟啟動和恒定頻率操作。該器件包括板載誤差放大器和電壓基準，允許在隔離和非隔離配置中使用。

前端功能也可用于LTC4265等設(shè)備，LTC4265旨在提供PD功能對于現(xiàn)有的開關(guān)穩(wěn)壓器。在這種情況下，100 V，100 mA MOSFET用于在檢測和分類階段將以太網(wǎng)供電與DC/DC轉(zhuǎn)換器隔離。

支持升級過于昂貴的情況現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機具有PSE功能，或者在需要部署少數(shù)PoE設(shè)備的區(qū)域使用，可提供單端口注入器。一個例子是Phihong POE36U-1AT，它提供與1000Base-T連接的兼容性。該電源由工作電壓為90 V至264 V的主電源供電，可為PD提供高達33.6 W的功率。

由于前端設(shè)備和中跨噴射器的可用性，為建筑增加了PoE功能自動化設(shè)備現(xiàn)在相對容易實現(xiàn)。通過構(gòu)建對以太網(wǎng)連接的支持，系統(tǒng)設(shè)計人員可以利用對協(xié)議的廣泛支持，并確保無需專用電源線和輸入即可實現(xiàn)能量傳輸，盡管這些可用于提供額外的靈活性。