搶占IEEE 802.3bt PoE++先機

Christopher Gobok ADI公司

IEEE的以太網(wǎng)供電(PoE)新標(biāo)準(zhǔn)（也稱為PoE++）經(jīng)過5年的開發(fā)，將于2018年末最終定稿。新標(biāo)準(zhǔn)的出臺促使供電設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)開發(fā)人員競相研發(fā)新硬件，因為PoE++能夠為PD提供高達71.3 W功率，幾乎是之前標(biāo)準(zhǔn)25.5 W的3倍。PoE++允許通過千兆以太網(wǎng)在相同布線上傳輸52 V/1.7 A，從而為新一代的高耗電應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，包括熱門的戶外云臺變焦攝像機網(wǎng)絡(luò)或用于蜂窩或Wi-Fi通信的遠程基站和接入點。

圖1顯示基本的PoE框圖，其中一臺PD連接至PSE?，F(xiàn)在802.3bt標(biāo)準(zhǔn)已最終定稿，PoE開發(fā)人員希望率先推出自己的PoE++設(shè)計。目前的挑戰(zhàn)就是要找到正式發(fā)布并經(jīng)過認證的100%符合802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的PSE和PD解決方案。別再四處尋覓了……

ADI公司作為PoE技術(shù)先鋒和IEEE 802.3bt工作小組成員，目前已推出PoE++ PD和PSE控制器，助PoE開發(fā)人員按照802.3bt標(biāo)準(zhǔn)最終版本完成設(shè)計。ADI公司推出的LTC4291-1/LTC4292 PoE++ PSE控制器芯片組和PoE++ PD控制器，有助于開發(fā)人員設(shè)計完整的端到端PoE++系統(tǒng)，并且經(jīng)過現(xiàn)場試運行和驗證。我們將詳細介紹LTC4291-1/LTC4292芯片組的獨到之處，描述它如何支持IEEE最新的PoE標(biāo)準(zhǔn)，并快速回顧PoE++ PD產(chǎn)品的關(guān)鍵特性。

LTC4291-1/LTC4292 PSE芯片組

LTC4291-1/LTC4292是隔離式4端口PSE控制器芯片組，專為PoE++系統(tǒng)而設(shè)計。圖2是LTC4291-1/LTC4292的簡化原理圖，顯示4個以太網(wǎng)端口中的一個是如何供電的。該芯片組采用集成隔離架構(gòu)，其中LTC4291-1提供一個PSE主機隔離數(shù)字接口，而LTC4292則提供一個高壓以太網(wǎng)接口。IEEE 802.3以太網(wǎng)規(guī)范要求將網(wǎng)段（包括PoE電路）與底盤地和PHY進行電氣隔離。通過將LTC4291-1置于非隔離側(cè)，將LTC4292置于隔離側(cè)，可將多達6個昂貴的光耦合器和1個隔離電源替換為更便宜、更可靠的10/100以太網(wǎng)變壓器。這種拓撲結(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)省成本，還可以實現(xiàn)更穩(wěn)定可靠和易于制造的PSE設(shè)計。

用戶可以通過I2C接口與LTC4291-1/LTC4292進行通信，并可根據(jù)應(yīng)用選擇四種PSE工作模式（自動、半自動、手動或關(guān)斷）中的一種。LTC4291-1/LTC4292使用兩個通道（兩個柵極驅(qū)動器），通過RDS(on)低至40 mΩ的外部MOSFET控制電源路徑。使用外部MOSFET便于用戶選擇低RDS(on)的器件，以降低功耗并解除通道故障。使用0.15 Ω的檢測電阻還可以降低功耗。I2C接口可實現(xiàn)端口配置、端口狀態(tài)監(jiān)控以及獲取端口電流、PoE電源電壓和端口功率的遙測讀數(shù)。

802.3bt引入了兩種不同的PD特征配置：單特征和雙特征PD。單特征PD（圖3）是在兩個線對(pairset)之間共用相同的檢測特征和分級特征的PoE++ PD。雙特征PD是在每個線對上都具有獨立特征的PoE++ PD；允許每個線對具有完全獨立的分級和功率分配。雙特征PD解決方案非常復(fù)雜，其成本是單特征PD的兩倍。

此外，值得注意的是，盡管共用一個相同的架構(gòu)，802.3bt雙特征PD并不等同于先前標(biāo)準(zhǔn)的UPoE設(shè)備。LTC4291-1/LTC4292支持經(jīng)過更新的PoE++ PD檢測過程，包含新的連接檢查子過程，以確定PSE連接哪種PD特征配置。

執(zhí)行連接檢查后，LTC4291-1/LTC4292將開始驗證連接的PD是否符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)。雖然IEEE要求PSE使用2點電壓或2點電流檢測方案之一來檢測有效PD特征(25 kΩ)，但LTC4291-1/LTC4292通過同時采用兩種類型的檢測方案以實現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的方案。這種多點（多電壓和多電流）檢測機制可用來消除誤報，并可避免損壞未針對PoE直流電壓承受力而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

與先前PoE標(biāo)準(zhǔn)使用的傳統(tǒng)的2對導(dǎo)體（4根導(dǎo)線）相比，PoE++對4對導(dǎo)體（8根導(dǎo)線）供電以傳輸功率。這不僅能實現(xiàn)新的更高功率水平，而且由于電纜中的功率損耗減少了一半，因此使用更多導(dǎo)體可以提高舊有的低功率水平系統(tǒng)的效率。例如，為確保PoE+ PD可接收到25.5 W，需要為PoE+ PSE提供30 W功率，因為在100 m的CAT5E電纜上的損耗為4.5 W。采用PoE++標(biāo)準(zhǔn)為相同的25.5 W PD供電通?？蓪p耗降低至2.25 W以下，從而使總功率傳輸效率從85%提高至92.5%。考慮到全球PoE PD的數(shù)量，這意味著大幅降低功耗，在許多情況下，碳排放量可降低7.5%。

PoE++引入了四種新的大功率PD分級(Class)，從而使單特征分級總數(shù)達到9個（如表1所示）。分級5至8是PoE++的新增分級，相當(dāng)于40 W至71.3 W的PD功率水平。PSE仍然可選擇使用物理層（即用于71.3 W的5事件分級）或數(shù)據(jù)鏈路層（例如，鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)）進行PD的分級，而且PD依然必須能夠支持兩種分級方案以與標(biāo)準(zhǔn)相符。請記住，因為每個線對在雙特征PD中獨立運行，所以每個線對都可以是不同的分級。例如，第一個線對上的Class 1 (3.84 W)和第二個線對上的Class 2 (6.49 W)將形成一個雙特征Class 1、Class 2 (10.3 W) PD。

PoE++ PD還可以實現(xiàn)物理層分級的一種可選擴展（稱為Autoclass），其中PoE++ PSE（如LTC4291-1/LTC4292）測量連接PD的實際最大吸取功率。這樣，利用這種電源管理功能，LTC4291-1/LTC4292可以將剩余的功率分配給其他燈泡（如果測量某個燈泡，由于較低的亮度設(shè)置或電纜較短，其功耗低于其分級功率）。

不言而喻，PoE++可向后兼容舊的25.5 W PoE+和13 W PoE標(biāo)準(zhǔn)。較低功率的PoE+或PoE PD可以連接至較高功率的PoE++ PSE（如LTC4291-1/LTC4292），這不會有任何問題。而且，當(dāng)情況反過來時，即較高功率的PoE++ PD連接至較低功率的PoE+或PoE PSE時，PD可在經(jīng)協(xié)商的較低功率狀態(tài)下工作，這被稱為降級。如果PD忽略降級并工作在其最高功率狀態(tài)，則高耗電的PD將導(dǎo)致PSE反復(fù)地接通，達到其電流限值，然后關(guān)斷，這實際上使PSE產(chǎn)生低頻寄生振蕩。因此，PoE+和PoE++都需要降級，但遺憾的是在許多實施方案中降級被忽視了。

PD實施

開發(fā)人員采用ADI公司的IC可最大限度地實現(xiàn)PoE++ PD性能。圖4顯示了帶有輔助輸入的高效單特征PoE++ PD接口的簡化框圖。該解決方案擁有高于94%的端到端（RJ-45輸入至PD負載）效率，并可在-40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)工作。

圖4中RJ-45接口上的LT4321是一款有源二極管橋控制器，可用來取代所需的二極管橋式整流器。LT4321采用低損耗N溝道MOSFET橋，可同時提高PD的可用功率并減少散熱量。PoE++要求PD在其以太網(wǎng)輸入端上能夠接受任何極性的直流電源電壓，因此LT4321可將來自兩組數(shù)據(jù)線對的電源進行平滑的整流，并將其整合為極性正確的單個電源輸出。由于電源效率提高實際上免除了散熱要求，所以總體電路尺寸和成本得以降低，并且功率可降低10倍或更多，從而使PD能夠保持在分級功率預(yù)算之內(nèi)，或者使PD能夠增加功能。

位于圖4中理想二極管橋控制器之后的是PD接口的“大腦中樞”LT4295，它是一款PoE++ PD接口控制器，集成了一個高效的正激式或無光耦合反激式控制器。LT4295利用一個集成型25kΩ特征電阻、高達5事件分級和單特征拓撲支持所有9種PD分級。除了提供更多的PD功率之外，使LT4295優(yōu)于傳統(tǒng)PD控制器的因素是其采用一個外部功率MOSFET以進一步地大幅降低總體PD散熱量并實現(xiàn)電源效率的最大化，由于PoE++標(biāo)準(zhǔn)的功率水平更高，因此這一點變得更為重要。

對于那些需要能夠支持輔助電源的PoE++ PD設(shè)計，PD可以選擇由電源適配器供電，圖4頂部所示的LT4320是一款9 V至72 V有源二極管電橋控制器，它采用低損耗N溝道MOSFET取代了全波橋式整流器中的全部4個二極管，以顯著降低功耗并增加可用電壓。由于電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器，因此可縮減電源和墻上變壓器的尺寸。通過幾乎消除熱運行二極管橋中固有的兩個完整二極管壓降（~1.2V，即12V的10%）提供了額外的裕量，從而增加了應(yīng)用的儲備空間，低電壓應(yīng)用亦能從中獲益。

結(jié)論

PoE++標(biāo)準(zhǔn)的批準(zhǔn)近在眼前，因此開發(fā)人員可以信心十足地為這個市場開發(fā)產(chǎn)品。PoE++標(biāo)準(zhǔn)的高功率水平高達71.3 W，具有豐富的電源管理新功能，開發(fā)人員可以利用這些功能創(chuàng)建更加動態(tài)和優(yōu)化的系統(tǒng)。PSE開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)感到慶幸，ADI公司剛剛發(fā)布的LTC4291-1/LTC4292 PSE 4端口芯片組穩(wěn)定可靠并簡化了BOM。同時，PD開發(fā)人員可以在電纜的另一端繼續(xù)使用ADI公司的多款I(lǐng)C來減少散熱量并提高電源效率。

作者簡介

Christopher Gobok是ADI公司混合信號產(chǎn)品的產(chǎn)品營銷工程師。Chris畢業(yè)于圣何塞州立大學(xué)，獲得BSEE、MSEE和MBA學(xué)位。他之前的行業(yè)經(jīng)驗包括擔(dān)任光電子和功率MOSFET的PME。聯(lián)系方式： christopher.gobok@analog.com 。