以太網(wǎng)供電采用率隨供電能力提高而增長

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

以太網(wǎng)協(xié)議IEEE 802.3正在從傳統(tǒng)IT領(lǐng)域不斷擴展到新興應(yīng)用和市場。如今，由于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）等標(biāo)準(zhǔn)的加強，以太網(wǎng)已部署在零售銷售點設(shè)備、安全監(jiān)控攝像頭以及工業(yè)等領(lǐng)域。以太網(wǎng)還在自動駕駛汽車等核心應(yīng)用中成為必不可少的快速、可靠和安全網(wǎng)絡(luò)，從而在汽車應(yīng)用中嶄露頭角。多年來，以太網(wǎng)的大多數(shù)參數(shù)改進都集中在提高數(shù)據(jù)傳輸速率上，但是，2003年批準(zhǔn)的802.3af引入了以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)，即能夠通過以太網(wǎng)電纜傳輸功率。

為什么要采用PoE？

對于VoIP、安全攝像頭和樓宇自動化等許多應(yīng)用，隨著以太網(wǎng)成為這些新應(yīng)用的首選網(wǎng)絡(luò)接口，通過單一電纜同時傳輸數(shù)據(jù)和功率既節(jié)省成本，又非常便捷，因而變得非常有吸引力。PoE能夠使交換機和無線接入點等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的部署更加簡捷，不再需要為每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行耗時且昂貴的交流電源插座安裝， PoE還可在斷電時為一些基本基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備提供緊急電源。

PoE支持的設(shè)備部署正在不斷擴展到零售、制造、安全和訪問控制等市場，而且這會反過來給PoE標(biāo)準(zhǔn)組織施加壓力，要求他們尋求提高功率傳輸能力的新技術(shù)。

PoE標(biāo)準(zhǔn)演進

PoE的基本概念涉及使用電源設(shè)備（PSE）向受電設(shè)備（PD）供電。當(dāng)今提供的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備都具有PSE功能或在訂購時可以選擇。端跨（endspan，也稱為端點）PD具有內(nèi)置電路，可從從以太網(wǎng)插槽中汲取功率來進行操作。對于未配備支持PoE交換機的現(xiàn)有和傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施，中跨（midspan）PoE注入器可為端跨供電。同樣，在受電設(shè)備處，PoE分離器用于分離電源和數(shù)據(jù)信號，并可為未配備PoE的受電設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電壓。

最初的PoE標(biāo)準(zhǔn)802.3af于2003年發(fā)布，使用Cat5以太網(wǎng)電纜中四對雙絞線中的兩對（請參見圖1）。

圖1：使用兩對雙絞線的802.3af兼容PoE實現(xiàn)。

PoE標(biāo)準(zhǔn)允許線路損耗，并規(guī)定負(fù)載的電壓范圍為37～57V。基于在37V下提供最大350 mA電流，功率容量為12.95W。

圖2：PoE標(biāo)準(zhǔn)，其中顯示了類型和類別。

隨著對更高功率的需求不斷增長，陸續(xù)發(fā)布了新標(biāo)準(zhǔn)，使Class 8設(shè)備的功率容量達到90瓦。在802.3bt標(biāo)準(zhǔn)（也稱為PoE +）下，Class 5 和Type 3以上設(shè)備使用所有四對電纜傳輸功率。PSE提供的電壓因設(shè)備類型而異，對于Type 4設(shè)備，電壓范圍為52～57V，最大額定電流為960 mA。

從早期開始，PoE就已經(jīng)廣泛用于安全攝像頭，其13瓦的受電設(shè)備功能足以為大多數(shù)簡單的攝像頭供電。但是，在能夠?qū)嵤┻h(yuǎn)程搖攝、俯仰和變焦的IP攝像頭問世之后，這些設(shè)備需要更高的功率預(yù)算。802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的推出標(biāo)志著從使用兩個電纜對轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂盟膫€電纜對。伴隨PoE供電能力的增強，已經(jīng)迅速為更多應(yīng)用打開了大門，其中之一是樓宇自動化系統(tǒng)，它可以管理現(xiàn)代化辦公室的供暖、通風(fēng)、照明和訪問控制等?，F(xiàn)在可以通過PoE來管理LED燈串及其相關(guān)的控制設(shè)備。

通過引入四對配置，802.3bt標(biāo)準(zhǔn)提供了一種在單個受電設(shè)備中提供兩個獨立電源軌的機制。這種方法允許創(chuàng)建不同的電壓軌，例如+3.3 VDC和+5 VDC，或±2V電源。圖3所示為供電的兩種方法：單簽名和雙簽名。

圖3：使用單簽名或雙簽名PoE供電架構(gòu)。

隨著PoE應(yīng)用于越來越多聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，尤其是消費類和商用設(shè)備，以太網(wǎng)聯(lián)盟認(rèn)為PoE的認(rèn)證計劃將能夠提供一種快速簡便的方法，可以輕松識別能夠互操作的產(chǎn)品。目前正在就兩對電纜應(yīng)用進行Class 4及以下級別的認(rèn)證（稱為EA1），并于2020年末開始引入最高Class 8（EA2）認(rèn)證。對正式認(rèn)證框架是否兼容會嚴(yán)重影響任何技術(shù)的購買決定，因此，符合PoE認(rèn)證計劃可能會成為所有新產(chǎn)品營銷規(guī)范的重要方面。工程團隊將需要熟知認(rèn)證要求和測試方法，并在開發(fā)周期中花足夠的時間來充分準(zhǔn)備測試。新罕布什爾大學(xué)（The University of New Hampshire）是以太網(wǎng)聯(lián)盟授權(quán)的PoE認(rèn)證唯一測試機構(gòu)。

在設(shè)計中實施PoE

在終端節(jié)點設(shè)備中實現(xiàn)PoE功能需要分離出從PSE接收到的功率，實現(xiàn)以太網(wǎng)控制功能和功率轉(zhuǎn)換。許多制造商將這些功能集成到單個PoE IC。

Silicon Labs的Si34071是一種節(jié)省空間的解決方案，可將外部組件的數(shù)量降至最低。Si34071完全符合Class 8 的802.3bt標(biāo)準(zhǔn)，并集成了高效峰值電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠提供可配置的開關(guān)頻率，所有這些功能都在一個薄型5 x 5mm QFN封裝內(nèi)實現(xiàn)。Si34071還提供有一個UART接口，用于連接到主機MCU。圖4展示了Si34071的功能框圖，圖5則突出顯示了Si34071AC5V8KIT PoE評估板中Si34071的使用。

圖4：Silicon Labs Si34071 PoE IC的功能框圖。

圖5：采用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT評估板的受電設(shè)備PD Class 8、71瓦接口簡化框圖。

Si34071AC5V8KIT評估板可提供單簽名5V/14A輸出，隔離式正向拓?fù)銬C/DC轉(zhuǎn)換器的工作效率優(yōu)于91％。該設(shè)計具有自動分類開關(guān)（Class switching），瞬態(tài)和過壓保護等功能。

對于開發(fā)PSE端設(shè)計，Silicon Labs的 Si3474 PSE IC可提供四個90瓦802.3bt兼容PoE端口或最多八個30瓦802.3at/af PoE端口。

Microchip可針對PoE應(yīng)用原型提供全面的PSE和PD IC以及開發(fā)套件。 Microchip的PD69208T4完全符合802.3af、at和bt標(biāo)準(zhǔn)，支持多達8個2對或4對4型PD要求的端口，最大輸出功率為95瓦，是與PD69210控制器配合使用的PoE電源管理IC。這些PSE IC適合PoE交換機、路由器和中跨設(shè)備等應(yīng)用，它們還適用于各種工業(yè)自動化設(shè)備和LED照明控制器。

Microchip還提供了完整的中跨PoE注入器單元，其中一款是PD9501GCO，該單端口中跨單元專為室外應(yīng)用而設(shè)計，防護等級為IP67，向后兼容802.3at和802.3af標(biāo)準(zhǔn)，是安全攝像頭和無線局域網(wǎng)接入點等外部應(yīng)用的理想選擇。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）還提供一系列PoE-PD設(shè)備。 PM8805是符合IEEE 802.3bt單簽名標(biāo)準(zhǔn)的PoE PD接口，具有集成的雙主動橋式MOSFETS配置，因為它們的正向電壓損耗較低，因而可替代二極管。

結(jié)論

以太網(wǎng)供電已從剛剛開始的相對較低功率發(fā)展成為適于多種應(yīng)用的電源選擇方案，可理想用于包括安全攝像頭和樓宇自動化系統(tǒng)在內(nèi)的多種應(yīng)用。其功率容量在演進到90瓦時能夠大大擴展應(yīng)用范圍，并將有助于將以太網(wǎng)部署加速擴展到更多市場領(lǐng)域。