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乙太网路供电之采用随供电力扩展而增
 

【作者: Mark Patrick】2021年08月11日 星期三

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乙太网路协定IEEE 802.3正在从传统IT领域不断扩展到新兴应用和市场。当下,鉴於时间敏感网路(TSN)等标准加强,乙太网路已部署在零售销售点设备、安全监控摄影镜头以及工业等行业。乙太网路还在自动驾驶汽车等核心应用中成为必不可少之快速、可靠和安全网路,从而在汽车应用中崭露头角。


多年来,乙太网路大多数叁数改进都集中在提高资料传输速率上,但是,2003年批准的802.3af引入乙太网路供电(PoE)技术,即能够透过乙太网路电缆传输功率。


为何需要PoE?

对於VoIP、安全摄影镜头和楼宇自动化等许多应用,由於乙太网路成为这些新应用之首选网路介面,透过单一电缆同时传输资料和功率既节省成本,又非常便捷,因而变得非常有吸引力。PoE能够使交换机和无线接入点等网路基础设施部署更加简捷,不再需要为每个网路设备进行耗时且昂贵之交流电源??座安装, PoE还可在断电时为一些基本基础设施设备提供紧急电源。


PoE支援设备部署正在不断扩展到零售、制造、安全和存取控制等市场,而且这会反过来给PoE标准组织施加压力,驱动他们寻求提高功率传输能力新技术。


LPoE标准演化

PoE的基本概念涉及使用供电设备(PSE)向受电设备(PD)供电。当今部署大多数网路基础设施设备都具有PSE功能或在订购时可以选择。端跨(endspan)PD具有内建电路,可从从乙太网路??槽中汲取功率来进行操作。对於未配备支援PoE交换机之现有和传统乙太网路基础基础设施,中跨(midspan)PoE注入器可为端跨供电。同样,在受电端处,PoE分离器用於分离电源和资料讯号,并可为未配备PoE之受电设备提供稳定直流电压。


最初PoE标准802.3af於2003年发布,使用Cat5乙太网路电缆中四对双绞线中之两对(图1)。



图1 : 使用两对双绞线之802.3af相容PoE实现。
图1 : 使用两对双绞线之802.3af相容PoE实现。

PoE标准允许线路损耗,并规定负载电压范围为37~57V。基於在37V下提供最大350mA电流,功率容量为12.95W。



图2 : PoE标准,其中显示类型和类别。
图2 : PoE标准,其中显示类型和类别。

随着对更高功率需求不断增长,新标准陆续发布,使Class 8设备功率容量达到90W。在802.3bt标准(也称为PoE +)下,Class 5 和Type 3以上设备使用所有四对电缆传输功率。PSE提供的电压因设备类型而异,对於Type 4设备,电压范围为52~57V,最大额定电流为960mA。


从早期开始,PoE就已经广泛用於安全摄影镜头,其13W受电设备功能足以为大多数简单摄影镜头供电。但是,在能够实施远端摇摄、俯仰和变焦IP摄影镜头问世之後,这些设备需要更高功率预算。802.3bt标准推出标志着从使用两对电缆转变为使用四对电缆。而由於PoE供电能力增强,已经迅速为更多应用打开了大门,其中之一是楼宇自动化系统,它可以管理现代化办公室供暖、通风、照明和存取控制等。现在可以透过PoE来管理LED灯串及其相关控制设备。


透过引入四对配置,802.3bt标准可提供一种在单个受电设备中具有两个独立电源轨机制。这种方法允许创建不同电压轨,例如+3.3 VDC和+5 VDC,或+/-2V电源。图3所示为供电两种方法:单签名和双签名。



图3 : 使用单签名或双签名PoE供电架构。
图3 : 使用单签名或双签名PoE供电架构。

由於越来越多联网设备开始应用PoE,尤其是消费性和商用设备,乙太网路联盟认为PoE认证计画将能够提供一种快速简便方法,可以轻松识别能够交互操作产品。目前正在就两对电缆应用进行Class 4及以下级别认证(称为EA1),并於2020年末开始引入最高Class 8(EA2)认证。对正式认证架构是否相容会严重影响任何技术的购买决定,因此,符合PoE认证计画可能会成为所有新产品行销规范之重要层面。工程团队将需要熟知认证要求和测试方法,并在开发周期中花足够时间来充分准备测试。新罕布夏大学(The University of New Hampshire)是乙太网路联盟授权PoE认证唯一测试机构。


在设计中实施PoE

在终端节点设备中实现PoE功能需要分离出从PSE接收到的功率,实现乙太网路控制功能和功率转换。许多制造商将这些功能整合到单个PoE IC。


Silicon Labs Si34071是一种空间节省解决方案,可将外部零元件数量降至最低。Si34071完全相符Class 8 802.3bt标准,并整合高效峰值电流模式DC/DC转换器,能够提供可配置开关频率,所有这些功能都在一个薄型5 x 5mm QFN封装内实现。Si34071还提供有一个UART介面,用於连接到主机MCU。图4展示Si34071功能方框图,图5则突出显示Si34071AC5V8KIT PoE评估板中Si34071如何使用。



图4 : Silicon Labs Si34071 PoE IC功能方框图。
图4 : Silicon Labs Si34071 PoE IC功能方框图。

图5 : 采用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT评估板之受电设备PD Class 8、71W介面简化方框图。
图5 : 采用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT评估板之受电设备PD Class 8、71W介面简化方框图。

Si34071AC5V8KIT评估板可提供单签名5V/14A输出,隔离式正向拓扑DC/DC转换器操作效率优於91%。此设计具有自动分类开关(Class switching),暂态和过压保护等功能。


对於开发PSE端设计,Silicon Labs Si3474 PSE IC提供四个90W 802.3bt相容PoE埠或最多八个30W 802.3at/af PoE埠。


Microchip可针对PoE应用原型提供全面PSE和PD IC以及开发套件。 Microchip PD69208T4完全符合802.3af、at和bt标准,支援多达8个2对或4对4型PD要求埠,最大输出功率为95W,是与PD69210控制器配合使用的PoE电源管理IC。这些PSE IC适合PoE交换机、路由器和中跨设备等应用,它们还适用於各种工业自动化设备和LED照明控制器。


Microchip还提供完整中跨PoE注入器单元,其中一款是PD9501GCO,该单埠中跨单元专为室外应用而设计,防护等级为IP67,向後相容802.3at和802.3af标准,是安全摄影镜头和无线局域网路接入点等外部应用理想之选。


STMicroelectronics可提供一系列PoE-PD设备。 PM8805是符合IEEE 802.3bt单签名标准之PoE PD介面,具有整合式双主动桥式MOSFETS配置,因为它们正向电压损耗较低,因而可替代二极体。


结论

乙太网路供电已从刚刚开始相对较低功率发展成为适於多种应用之电源选择方案,可理想用於包括安全摄影镜头和楼宇自动化系统在内多种应用。功率容量在演化到90W时将能够极大扩展应用范围,并将有助於将乙太网路部署加速扩展到更多市场领域。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


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