【導讀】互聯(lián)的設備依賴于兩個核心功能，即通信回傳和電源。對于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備，經(jīng)常會出現(xiàn)三個核心問題：電源、通信和安全性。像WiFi這樣的無線技術已在市場上引起了人們的關注多年，但卻為這三個問題困擾。無線電池供電的設備需要定期充電，WiFi的頻段飽和。這是當今兩個常見的問題。較大的功率需求需要主電源連接，這使安裝點復雜并受到限制。
以太網(wǎng)供電(PoE)經(jīng)現(xiàn)有以太網(wǎng)基礎設施提供靈活性、可靠性、安全性和電源來解決這些問題。自從2003年由IEEE首次發(fā)布以來已取得了飛躍性的發(fā)展。最新的IEEE 802.3bt批準使其成為市場上的佼佼者，通過Cat5 / Cat6電纜提供10G-BASE-T和60W至90W的功率。
提升的功率
最初，Type 1電源設備（或PSE）只能提供最高15.4 W的功率，Type 2增加了一倍，達到30 W?，F(xiàn)在，2018年9月發(fā)布的Type 3和Type 4的功率分別達到60 W和90 W。這打開了啟用互聯(lián)設備世界的大門，這些設備包括無線和蜂窩基站、平移傾斜變焦（PZT）和半球攝像機、電視、交互式顯示器和信息站。單根低壓電纜同時配以專用高速通信，使布線更少，是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的智能樓宇維護和安裝的理想選擇。
以太網(wǎng)供電是有線通信和供電系統(tǒng)，使用現(xiàn)有的以太網(wǎng)網(wǎng)絡為端點設備供電。在這些系統(tǒng)中，電源設備（PSE）經(jīng)由八根電線提供電源，這些電線布置成四對雙絞線（Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a）電纜，采用RJ45型連接器連接到受電設備（PD）。PSE向端點提供高達57 V的電壓。由于該電壓小于60 V，因此符合安全特低電壓指令（SELV），使電氣安全，并且不需要有資質(zhì)的電工或掩埋電纜，從而簡化了安裝和維護。該標準將每個端口的功率限制為90W，使這成為以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)淖畲蠊β省?/div>
該標準最初定于2017年發(fā)布，在正式發(fā)布之前不斷更新，以確保與以前的版本兼容。PoE規(guī)范的最新更新IEEE 802.3bt引入了Type 3和Type 4電源設備（PSE）和受電設備（PD）。為了提供更高的電流，新標準允許同時使用兩種功率模式（模式A和模式B），通常稱為4對或4PPOE，經(jīng)由4對而不是Type 1和Type 2供電。
添加的3類，即5至8類，具有改進的相互識別過程和自動分類功能。此更新還帶來了更低的待機功耗，并支持10G-BASE-T和PoE。
用PoE設計
設計受電設備時，要考慮許多功能，包括運行模式、PD檢測和分類。為了避免損壞非PoE設備，PSE必須在提供電源之前檢測是否已連接受電設備。使用有效特征檢測PD模式，并在受電設備中使用25kΩ電阻去實施。當PSE提供兩個連續(xù)的電壓（V1 = 2.7 V和V2 = 10.1 V）用于電阻檢測時，它記錄電流值，確定PD的存在，然后激活為設備供電。圖1描繪了啟動期間的電阻檢測階段。
圖1：啟動階段的波形
在分類階段，確定受電設備的最大功率要求。連接到PD的PoE控制器的另一個電阻指示功率范圍。表1顯示了單特征PD的不同類別及其最大平均功率。類別不要與Type混淆，它涉及所連接設備的特定功率。在IEEE 802.3af / at（Type 1和Type 2設備）中，使用了單特征PD。IEEE 802.3bt添加了雙特征PD，其中每種模式或替代方案（A和B）使用單獨的輸入橋式整流器和PD控制器。
可選的分類擴展是自動分類。在“自動分類”中，PSE會測量特定時間段內(nèi)連接的PD的功耗，從而可以確定PD所需的最大功率。自動分類絕不會使用雙特征PD來實現(xiàn)。
表1列出了新類別和類型在受電設備接收到的功率以及每種類型支持的模式。
表1：單特征PD的最大平均功率
一旦檢測到受電設備并確定了類別，它就必須保持電源特征。對于Type 1和Type 2設備，所需的最小功率特征為10mA，占空比為20％。為了使端口保持激活狀態(tài)，浪費了至少2.31 mA的平均電流。在50 V時，達到115 mW，在更大的部署中很快地相加。對于Type 3和Type 4供電設備，占空比降低到1.875％，這使得每個設備的功率小于10 mW，從而使待機功耗降低了90％。
在網(wǎng)絡上存在大量設備的互聯(lián)照明應用中，嚴格要求MPS。即使對無線回傳、Wi-Fi接入點和安防攝像頭等始終在線的設備來說，它也是必需的，即使不那么關鍵。
PoE模式
功率分配分為三種模式：模式A、模式B（也稱為替代A和替代B）和4對。對于10BASE-T / 100BASE-TX，在模式A下，電源與數(shù)據(jù)對1-2和3-6同時傳送。模式B由備用對4-5和7-8供電。在1000BASE-T應用（四對）中，模式A和模式B的電力也同時由4對傳輸。使用標準以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭提取共模電壓，然后DC - DC轉換器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓。
圖2所示是Type 1和Type 2應用的模式A和模式B供電。圖3描繪了Type 3和Type 4中4對模式的接線。
圖2：模式A和模式B PoE功率傳輸
圖3：4對PoE功率傳輸
在設計使用PoE的設備時，考慮互連電纜很重要。以太網(wǎng)的電纜長度最大為100 m，它具有直流電阻，同時會降低電壓并因發(fā)熱而耗散功率。5類或Cat5電纜是以太網(wǎng)網(wǎng)絡中使用的雙絞線電纜，用于在PoE網(wǎng)絡中供電。它支持高達100 Mhz，適用于10/100 / 1000BASE-T。類別6或Cat6是對Cat5電纜的改進，并支持高達500 Mhz，適用于10GBASE-T以太網(wǎng)速度。
一根100m的Cat5電纜的直流電阻為12.5Ω，其中Cat6的電纜每100m的直流電阻為7Ω。傳輸損耗隨著差分對中電流的增加而增加。在25 W PD的典型輸入電壓為50 V的情況下，電流為0.5A。這在Cat5中的傳輸損耗總計為2.5 W，在Cat6中的傳輸損耗總計為1.75 W，這些損耗因發(fā)熱而耗散。對于90 W的設備，此傳輸損耗在四對之間共享，每對為930 mA，PSE至少為52V。在Cat5中為17.30 W，在Cat6中為2x6.05W。這表明Cat5對于任何應用都是足夠的和安全的。
聯(lián)接
安裝時應仔細考慮布線。必須計算電纜長度和設備電源之間的折衷，以提高能效和降低電纜損壞的風險。
Diode Bridge：二極管橋
Total Solution Size：總方案尺寸
圖4：GreenBridge™方案對比二極管橋
受電設備控制器進行轉換，并通過附加的DC - DC轉換器調(diào)節(jié)PD側的輸入電壓。二極管橋是用于典型PoE設備的一種低成本方案。這些在低功率設備上就足夠了，但是隨著功率的增加，這方案變得有問題。在25.5 W，最小42.5 V的情況下，估計0.6 A電流流經(jīng)二極管橋。每個二極管的正向電壓為0.7 V，每個二極管的功率損耗為420 mW。對于90 W系統(tǒng)，現(xiàn)在的電流為3.7 A，每個二極管的功率損耗為2.59W。
MOSFET方法比常規(guī)二極管橋改善了導通損耗和能效。安森美半導體的第一代GreenBridge系列集成雙P溝道和雙N溝道MOSFET（FDMQ8203）系列提供緊湊且熱增強的表面貼裝封裝，可以很好地解決此問題。導通損耗與MOSFET的RDS（ON）值有關。對于25 W系統(tǒng)，在N溝道和P溝道MOSFET的RDS（ON）分別為110mΩ和190mΩ的情況下，計算出耗散功率為115 mW。這是二極管電橋功耗的四分之一。在90W的示例中，3.7 A的導通損耗為354 mW，低至二極管方案的13％。這節(jié)省看似相對較小，但是在使用數(shù)百個PoE傳感器的樓宇管理系統(tǒng)中，這差異可能是顯著的。
第二代Quad MOSFET方案（FDMQ8025A）提供更高的額定功率、高能效的橋式整流器以及必要的門極驅動器，采用與第一代相同的小MPL 4.5 x 5mm封裝，，和小得多的RDS（ON），N溝道MOSFET僅35mΩ，P溝道MOSFET僅76mΩ。
Power Current Path：電源電流路徑
Gate Current Path：門極電流路徑
圖5：GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案
安森美半導體還提供PoE-PD接口控制器，任何設備都可成為兼容802.3af / at和-3bt的受電設備。NCP1095和NCP1096接口控制器含在PoE系統(tǒng)中運行所需的所有功能，如浪涌階段的檢測、分類、自動分類和電流限制。兩個控制器采用內(nèi)部/外部傳輸晶體管，支持高達90 W的功率。它們還指示何時可以實施簡短的維持電源特征。附加的輔助電源檢測支持由PoE或墻式適配器供電。
NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評估板使設計工程師可以快速評估兩個控制器的運行，然后實施有助于設計過程的物理設計。它們包括GreenBridge2有源橋、RJ45連接器和局域網(wǎng)(LAN)變壓器。
圖6：NCP1095GEVB / NCP1096GEVB評估板
總結
最新批準的IEEE 802.3bt以太網(wǎng)供電標準為更多耗電設備打開了市場，為性能更高的應用開啟了大門。功耗的增加帶來了新的挑戰(zhàn)，可以采用安森美半導體的精妙的PoE-PD方案來解決，該方案集成GreenBridge有源橋Quad MOSFET和易于實施的PoE-PD控制器。這些降低了新產(chǎn)品的風險并縮短了上市時間，使以太網(wǎng)供電成為物聯(lián)網(wǎng)領域的重要市場競爭因素。
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