如何進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的以太網(wǎng)供電設(shè)備的設(shè)計(jì)

W-LAN等基于無(wú)線(xiàn)電的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)帶來(lái)了三個(gè)挑戰(zhàn)：基于無(wú)線(xiàn)電的電池供電設(shè)備必須定期充電，W-LAN的頻帶處于飽和狀態(tài)，并且更高的功率要求需要網(wǎng)絡(luò)連接。以太網(wǎng)供電解決了這些問(wèn)題。

具有Internet連接的設(shè)備基于兩個(gè)基本功能：通信回傳和電源。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還附帶安全性。多年來(lái)，無(wú)線(xiàn)，即基于無(wú)線(xiàn)的傳輸技術(shù)（例如WLAN）一直是事件的中心，但帶來(lái)了三個(gè)挑戰(zhàn)?；跓o(wú)線(xiàn)電的電池供電設(shè)備必須定期充電，并且WLAN的頻段處于飽和狀態(tài)-這都是當(dāng)今常見(jiàn)的問(wèn)題。更高的電源要求還需要網(wǎng)絡(luò)連接，這會(huì)使安裝點(diǎn)變得復(fù)雜并受到限制。

以太網(wǎng)供電（PoE）通過(guò)現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)提供靈活性，可靠性，安全性和電源來(lái)解決這些問(wèn)題。自2003年由IEEE引入以來(lái)，PoE取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。IEEE 802.3bt的最新批準(zhǔn)使其成為市場(chǎng)上的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，通過(guò)Cat5 / Cat6電纜提供10G-BASE-T和60至90W的功率。

更高效

最初，類(lèi)型1電源設(shè)備（PSE）只能提供高達(dá)15.4 W的功率。Type 2的功率增加了一倍，達(dá)到30 W.今天于2018年9月發(fā)布的Type 3和Type 4分別提供60和90 W的功率。這打開(kāi)了與互聯(lián)網(wǎng)兼容的設(shè)備的世界，包括無(wú)線(xiàn)電和手機(jī)基站，云臺(tái)變焦-（PTZ）和半球攝像機(jī)，電視，交互式顯示器和信息亭。單根低壓電纜與高速數(shù)據(jù)通信相結(jié)合，意味著更少的布線(xiàn)，是樓宇智能維護(hù)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）安裝的理想選擇。

以太網(wǎng)供電是使用現(xiàn)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為終端設(shè)備供電的有線(xiàn)通信和電源系統(tǒng)。電源設(shè)備（PSE）通過(guò)8條線(xiàn)為受電設(shè)備（PD）供電，這些線(xiàn)設(shè)計(jì)為具有RJ45連接的四根雙絞線(xiàn)電纜（Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a）。PSE在端點(diǎn)提供的電壓最高為57V。由于此電壓低于60 V，因此符合安全特低電壓（SELV）指令，該指令使系統(tǒng)電氣安全，并且不需要合格的電工或埋葬電纜，從而簡(jiǎn)化了安裝和維護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)將每個(gè)端口的功率限制為90 W，這是最大功率，

該版本原定于2017年發(fā)布，在實(shí)際引入該標(biāo)準(zhǔn)之前會(huì)不斷進(jìn)行更新，以確保與以前的版本向后兼容。PoE規(guī)范的最新更新IEEE 802.3bt引入了Type 3和Type 4 PSE和PD。為了提供更高的電流，新標(biāo)準(zhǔn)允許同時(shí)使用稱(chēng)為4對(duì)或4PPOE的兩種功率模式（模式A和模式B），并為四對(duì)功率提供功率，而不是類(lèi)型1和2中的兩種功率。

添加了四個(gè)附加的類(lèi)（5至8年級(jí)），它們具有改進(jìn)的相互識(shí)別和自動(dòng)類(lèi)功能。此更新還提供了更低的待機(jī)功耗，并支持PoG以及10G-BASE-T。

利用以太網(wǎng)供電進(jìn)行開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)PD時(shí)，必須考慮某些功能，包括操作模式，PD檢測(cè)和分類(lèi)。為了避免損壞非PoE設(shè)備，PSE必須在為PD供電之前識(shí)別是否已連接PD。PD模式可通過(guò)有效的簽名識(shí)別，并使用25kΩ電阻在PD中實(shí)現(xiàn)。如果PSE然后提供兩個(gè)連續(xù)的電壓（U1 = 2.7 V和U2 = 10.1 V）用于電阻檢測(cè)，它將記錄電流值，從而在激活電源之前確定PD的存在。圖1描述了啟動(dòng)過(guò)程中的電阻檢測(cè)。

圖1：開(kāi)始階段的波形。（安森美半導(dǎo)體）

PD的最大功率要求在分類(lèi)階段中確定。PD上連接到PoE控制器的另一個(gè)電阻指示功率范圍。表1列出了單個(gè)簽名PD的不同類(lèi)別及其最大平均性能。該類(lèi)不應(yīng)與類(lèi)型混淆，因?yàn)樗傅氖撬B接設(shè)備的特定電源。對(duì)于IEEE 802.3af / at（類(lèi)型1和類(lèi)型2的設(shè)備），使用具有單個(gè)簽名的PD。IEEE 802.3bt針對(duì)每種模式或替代方式（A和B）使用單獨(dú)的輸入橋式整流器和PD控制器添加了兩個(gè)簽名PD。

分類(lèi)的可選擴(kuò)展是“自動(dòng)分類(lèi)”。PSE測(cè)量在一定時(shí)間段內(nèi)連接的PD的功耗，以便PSE可以確定PD永遠(yuǎn)需要的最大功率。自動(dòng)分類(lèi)永遠(yuǎn)不會(huì)使用雙重簽名PD來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1列出了與PD上接收到的功率有關(guān)的新類(lèi)別和類(lèi)型以及每種類(lèi)型所支持的模式。

表1：?jiǎn)魏灻鸓D的最大平均性能。

識(shí)別出PD并確定類(lèi)別后，它必須維護(hù)電源簽名。對(duì)于類(lèi)型1和類(lèi)型2的設(shè)備，所需的最小簽名為10 mA，占空比為20%。為了使端口保持活動(dòng)狀態(tài)，浪費(fèi)了至少2.31 mA的平均電流。這相當(dāng)于在50 V電壓下為115 mW，對(duì)于大型應(yīng)用而言，其累加非常快。對(duì)于3型和4型設(shè)備，占空比已降至1.875%，從而使每個(gè)設(shè)備的功耗低于10 mW，待機(jī)功耗降低了90%。

單片電源（MPS;單片電源系統(tǒng)）在網(wǎng)絡(luò)照明中必不可少，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中存在大量設(shè)備。對(duì)于永久性活動(dòng)的系統(tǒng)（例如，基于無(wú)線(xiàn)電的回程，WLAN接入點(diǎn)和安全攝像機(jī)），它們也是必需的，盡管要求并不那么嚴(yán)格。

以太網(wǎng)供電模式

功率輸出分為三種模式：模式A，模式B（替代A或替代B）和4對(duì)。使用處于模式A的10BASE-T / 100BASE-TX，電源將與數(shù)據(jù)對(duì)1至2和3至6同時(shí)傳送。模式B通過(guò)備用對(duì)4至5和替換對(duì)7至8提供電源。在1000BASE-T應(yīng)用程序（四對(duì)）中，模式A和B都同時(shí)在四對(duì)對(duì)之間提供電源。共模電壓取自標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭。然后，DC / DC轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

圖2描述了類(lèi)型1和類(lèi)型2應(yīng)用在模式A和模式B下的功率輸出，圖3描述了類(lèi)型3和類(lèi)型4在4對(duì)模式下的電纜連接。

圖2：用于PoE電源輸出的模式A和模式B。（福祿克網(wǎng)絡(luò)）

圖3：4對(duì)PoE電源輸出。（福祿克網(wǎng)絡(luò)）

圖4：綠橋解決方案與二極管橋的比較。（安森美半導(dǎo)體）

圖5：四MOSFET綠橋FDMQ8203。（安森美半導(dǎo)體）

圖6：評(píng)估板NCP1095GEVB / NCP1096GEVB。（安森美半導(dǎo)體）

安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)PoE設(shè)備時(shí)，必須考慮連接電纜。以太網(wǎng)的最大電纜長(zhǎng)度為100 m，這是一個(gè)直流電阻，可降低電壓并耗散熱量。5類(lèi)（Cat5）電纜是雙絞線(xiàn)電纜，用于以太網(wǎng)和PoE網(wǎng)絡(luò)中的電源。這些電纜在10/100 / 1000BASE-T上最高支持100 MHz。6類(lèi)（Cat6）電纜相對(duì)于5類(lèi)電纜進(jìn)行了改進(jìn)，并支持10GBASE-T以太網(wǎng)最高500 MHz。

100 m長(zhǎng)的Cat5電纜的直流電阻為12.5Ω;Cat6電纜僅7Ω。傳輸損耗隨差分對(duì)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。這會(huì)導(dǎo)致Cat5的傳輸損耗為2.5 W，Cat6的傳輸損耗為1.75 W，并通過(guò)熱量散發(fā)。對(duì)于90 W的設(shè)備，此傳輸損耗分為四對(duì)，每對(duì)930 mA，PSE提供至少52V。Cat5對(duì)應(yīng)于17.3 W，Cat6對(duì)應(yīng)于2×6.05 W，這表明Cat5對(duì)于每種應(yīng)用都是足夠且安全的。

正確的連接

安裝時(shí)應(yīng)仔細(xì)選擇電纜。需要在電纜長(zhǎng)度和設(shè)備性能之間進(jìn)行權(quán)衡，以提高效率并消除布線(xiàn)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

PD控制器通過(guò)附加的DC / DC轉(zhuǎn)換器來(lái)轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)PD側(cè)的輸入電壓。二極管橋是常見(jiàn)PoE設(shè)備的一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。它們足以滿(mǎn)足功耗較低的設(shè)備的需求，但隨著性能的提高，它們成為問(wèn)題。在25.5 W和至少42.5 V時(shí)，大約0.6 A的電流流過(guò)二極管電橋。每個(gè)二極管的正向電壓為0.7 V，每個(gè)二極管消耗的功率為420 mW。對(duì)于90 W系統(tǒng)，現(xiàn)在的電流為3.7 A，每個(gè)二極管消耗的功率為2.59W。

MOSFET方法比傳統(tǒng)的二極管橋改善了線(xiàn)損和效率。安森美半導(dǎo)體的第一代綠橋系列集成雙p溝道和雙n溝道MOSFET（FDMQ8203）提供了一種精巧的解決方案，采用緊湊且經(jīng)過(guò)熱改良的SMD封裝。線(xiàn)損取決于R DS（ON）MOSFET的價(jià)值：n溝道和p溝道MOSFET分別具有110和190mΩ的電阻，對(duì)于25 W系統(tǒng)，功率損耗約為115 mW。這是二極管橋損耗的四分之一。在90 W的示例中，3.7 A的電流導(dǎo)致354 mW的線(xiàn)損，相當(dāng)于二極管解決方案的13%。這似乎是一個(gè)相對(duì)較小的節(jié)省，但是在使用數(shù)百個(gè)PoE傳感器的建筑物管理系統(tǒng)中，差異可能很大。

第二代Quad-MOSFET（FDMQ8025A）在與第一代相同的小型MPL封裝（4.5 mm×5 mm）中提供了更高的標(biāo)稱(chēng)功率，高效的橋式整流器和必要的柵極驅(qū)動(dòng)器，并且其R DS（ON）更低。）對(duì)于n通道型號(hào)為35mΩ，對(duì)于p通道型號(hào)為76mΩ。

安森美半導(dǎo)體還提供PoE-PD接口控制器，通過(guò)該控制器，每個(gè)設(shè)備均可按照802.3af / at和-3bt進(jìn)行操作：NCP1095和NCP1096包含PoE系統(tǒng)中操作所需的所有功能，例如檢測(cè)，分類(lèi)，自動(dòng)分類(lèi)以及接通階段的電流限制。這兩個(gè)控制器通過(guò)內(nèi)部/外部傳輸晶體管支持高達(dá)90 W的功率。它們還指示何時(shí)可以插入短時(shí)維護(hù)電源簽名。附加的輔助電壓檢測(cè)可通過(guò)PoE或電源適配器啟用電源。

使用評(píng)估板NCP1095GEVB和NCP1096GEVB，可以在實(shí)施物理設(shè)計(jì)以支持開(kāi)發(fā)過(guò)程之前快速評(píng)估兩個(gè)控制器。這些板包括活動(dòng)的Green Bridge2橋，RJ45連接和LAN變壓器