通過以太網鏈路傳輸更多電力的IEEE 802.3bt PoE

以太網供電（PoE）是 IEEE 802.3af 和 802.3at 標準定義的一種聯(lián)網功能。PoE 使以太網電纜可以通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)連接同時向網絡設備供電和傳輸數(shù)據(jù)。IEEE 802.3bt 標準已于 2018 年 9 月 27 日獲得 IEEE-SA 標準委員會的批準，可通過以太網鏈路傳輸更多電力。在這里，我們討論為何這很重要，以及工程師如何利用這一潛力。

無線網絡架構隨時可用，為何我們仍在使用有線連接？好吧，無線聯(lián)接很方便；但建筑物和家庭中已有數(shù)百萬英里的有線 CAT5e 電纜，因此有線連接仍在使用中，而且有線比無線（企業(yè)網絡如大學通常都是有線的）更難被黑客入侵或攔截，且長的有線電纜成本很低。如果您有一幢由磚、石頭和金屬構成的建筑物，那么在許多情況下都能獲得良好的無線信號（5G 具有更好的室內覆蓋范圍，但完全部署還需時日）。如果要接入以太網電纜信號，則必須切入。此外，無線更容易受到其他信號和無線電波的破壞，而有線電纜通常被屏蔽并提供“即插即用”體驗，并且具有更好的服務質量（QoS）。

802.3bt 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)結構使用電源設備（PSE），一種可通過以太網電纜為受電設備（PD）供電的電源控制器。 IEEE 802.3bt 標準指出：“PD 是消耗功率或請求功率的設備部分，參與 PD 檢測算法。能夠成為 PD 的設備可能具有從備用電源汲取功率的能力。需要從電源接口（PI）供電的 PD 可能同時從備用電源供電。”典型的 PD 是一種設備，如 IP 電話、無線接入點、安防攝像機等，從以太網電纜接收電力。電源接口（PI）是 PSE 或 PD 與傳輸介質之間的機械和電氣接口。這是在 IEEE802.3bt 標準的“PD PI 當前定義”第 1.4.324 節(jié)中定義的。

以前的 PoE 標準僅使用以太網電纜中八根導線中的四根來傳輸直流電流，IEEE 工作組選擇對 802.3bt 使用所有八根導線。IEEE Std 802.3bt-2018 修正案 2 指出：“此修正案使用結構化布線工廠中的所有四對電線，增加了功率傳輸，從而為終端設備提供了更大的功率。該修正案還降低了終端設備的待機功耗，并增加了一種機制來更好地管理可用功率預算?！?/p>

IEEE 標準委員會的目標是增加從電源設備（PSE）到受電設備（PD）的電量。提供給 PD 的這些額定功率水平高達 71.3 W（90W 來自 PSE），同時大大降低了 PD 睡眠時所需的待機功耗。

自動分類特性

IEEE 802.3bt 標準的第 145.8.8.2 節(jié)對稱為“自動分類”的物理層分類進行了可選擴展。啟用此功能后，PSE 會確定所連接的 PD 設備消耗的實際最大功率。自動分類（Autoclass）僅針對單特征（single signature）PD 定義（有關單特征定義，請參閱下一節(jié)）。

當 PSE 實施 Autoclass 時，在 POWER_ON 且同時 pd_autoclass 為 TRUE 時測量 PAutoclass。請參閱本文標題為“一個 802.2bt 最壞情況的示例”的部分，顯示發(fā)送給 PD 的功率未達到所需滿功率的情況。如果啟用自動分類功能，則可以糾正這種情況。有關更多詳細信息，請參見 Embedded Computing Design 刊登的文章“通過自動分類優(yōu)化 PoE 輸出功率”。

單特征 / 雙特征

IEEE 802.3bt 提供兩種新的 PD 拓撲，分別稱為單特征和雙特征。單特征 PD 在兩個線對之間具有相同的分類、維持功率特征（MPS）和檢測特征。雙特征 PD 在兩個線對之間具有獨立不同的特征。802.3bt 標準通過新添加的連接檢查（Connection Check）使區(qū)分功能能來識別單特征或雙特征 PD 連接之間的差異。

雙特征 PD 將需要兩個并行的 PD 接口，因為在此拓撲中需要兩個不同的線對集。每個 PSE 的電力在每個 PD 接口之后匯集。這是個成本更高的方案。設計人員可能會選擇成本低一半的單特征方案?？紤]具有雙重特征的監(jiān)視攝像機，其中一個線對與攝像機相連，另一個線對與加熱器或云臺 / 變焦電機相連。

對于來自 PSE 的每個數(shù)據(jù)對，PD 端通常也需要一個變壓器（對于 GB 以太網，請參見圖 1，其中 Vpd,B 可能是 10 / 100Base-T），一個有源橋式整流器，一個 802.3bt PD 接口控制器和一個 DC - DC 轉換器。肖特基二極管、電阻器和電容器也可理解為 PD 附加組件的可能部分。

圖 1 802.3bt PD 端應用電路圖，安森美半導體的 FDMQ8205A 橋式整流器和 NCP1096 PoE-PD 接口控制器（圖片由安森美半導體提供）

圖 2 顯示，Type 4,Class 8 可能消耗的最大功率為 71.3W。PSE 最低電壓為 52 V，最差的支持通道電阻為 6.25 ohm，1.73 A 的電流將流經電纜。

圖 2 最壞情況下的通道為 6.25 歐姆，負載的恒定功率為 71.3W（Class 8）。每條導線 1.73A 或 0.433 是可在兼容系統(tǒng)中流動的最高額定電流（圖片由參考文獻 2 提供）

PD 端的潛在問題以及設計人員可能的方案 / 緩解措施

IEEE 802.3bt 標準指出“PD 在與電纜的物理連接點指定。未指定特性如電壓校正電路、電源效率低下造成的損耗，內部電路與外部接地之間的分離或 PI 連接器之后電路引起的其他特性等。除非特別說明，否則 PD 定義的限制指定在 PI 上，而不是在 PD 內部的任何點上。

以下是設計人員應該考慮的一些領域，以建立一個真正強固的設計架構：

1）注意由于 PSE 和 PD 之間的通道中的其他設備（二極管，變壓器等）引起的電流不平衡（請參見圖 3）。只要設計人員意識到這種不平衡，就可以采用創(chuàng)造性的方法來減輕這種不平衡。這將取決于設計架構。一些可靠的規(guī)則是使用良好的接地平面以及承載大電流的寬接地回路。

2）以太網電纜中的線對線間電流不平衡：這里的問題是電纜供應商很少測試或給設計人員提供線對線不平衡規(guī)范，他們通常只指定線對內的不平衡。

圖 3 PD 電流不平衡驗證電路（圖片由參考文獻 1 提供）

3）當心電纜發(fā)熱：通常會有大量電纜發(fā)熱，但設計人員需要保持溫升控制。IEEE 工作組設定限值應小于 10 攝氏度的溫升。他們采用 300 mA 電流流過所有電纜導線，就像在不失衡的情況下，為每 100 m 電纜的末端傳送 51 W 功率。設計人員可以嘗試一些方案，例如使用較低電阻的電纜來減少 I2R 損耗，在每個線束中使用較少的電纜或僅在電纜束中進行部分供電。

確定任何給定電纜的功耗（發(fā)熱）的正確方法是使用恒定功率吸收器作為負載，并使用電壓源作為輸入電源 2。

一些電纜發(fā)熱研究會測試 2.0 A 時的電纜束。因此，如果使用 24AWG 電纜，則電纜功率密度將為 164 mW / m。功率密度是每單位長度電纜消耗的功率，因此：

164 mW / m =((2.0A)2x 4.09 ohms)/100m)

Rch 基于 24 AWG 固態(tài)銅在 20oC 的電阻率

圖 4 通道是 24 AWG UTP，負載是恒定的 2.0A（圖片由參考文獻 2 提供）

4）輸送到 PD 的功率（PD 是恒定功率負載）與 PSE 功率輸出之間存在非線性關系。PD 的功率需求各不相同。PD 需要更多的電流意味著電纜中的壓降更高，并有 IR 損耗。PD 獲得的電壓低于所需電壓，因此需要更多電流。事實證明，在較低電流下使用較高的 PD 電壓可穩(wěn)定此效果。為安全起見，請將 PSE 電壓限制為不超過 57 V。

測試 PD

如果制造商有演示板或參考設計，請始終將其用于您的應用。這些板是使用適當?shù)牟季€和接地技術精心創(chuàng)建的，以提供最佳的架構性能。通?？梢詮闹圃焐烫帿@得工藝的 Gerber 文件。請在設計中使用它們。這些方法將免去對最終設計進行大量測試。

對于設計的生產測試以及在實際系統(tǒng)中的測試，有一些很好的方案，如 Reach Technology 的 PoE5 100 W PoE 測試儀或 Reach Technology 的 RT-PoE5 IEEE 802.3bt 以太網供電 PSE 生產測試儀。新罕布什爾大學互操作性實驗室是唯一用于測試 PoE 認證的第三方測試機構。Sifos Technologies 擁有用于 IEEE 802.3bt PoE 的新的緊湊的 PowerSync 分析儀，將有助于進行 4 線對測試。以上方案將有助于確保強固的系統(tǒng)。

總結

本文旨在介紹 POE 和 IEEE802.3bt。希望讀者能了解 PD 和 PSE 的定義，以及它們在提供適當信號和功率傳輸方面的優(yōu)勢和局限性，并更好地理解該標準及其在 PoE 系統(tǒng)中的改進能力。

本文的重點正如本文所強調的，IEEE 802.3bt 標準支持設計人員向 PD 提供更高的功率以及更多通用的能源選擇。

本文還提供了為什么在無線世界中進行有線連接可以增強安全性、提高可預測性和可靠性的原因。廣泛的現(xiàn)有有線基礎設施已部署到位，其環(huán)境干擾遠低于無線環(huán)境，系統(tǒng)成本更低且 QoS 更高。

本文還向讀者介紹了設計 802.3bt PD 時要考慮的一些重要點，以避免潛在的缺陷，從而使最終設計的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

最后，為了更好地設計 802.3bt PD，向設計人員演示了適當?shù)臏y試方法，并提供了鏈接和參考文獻。

參考文獻

1 IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt?-2018 (Amendment to IEEE Std 802.3?-2018 as amended by IEEE Std 802.3cb?-2018)

2 Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017

編輯：hfy