以太網(wǎng)供電 (POE)：增加物聯(lián)網(wǎng)使用的推動力

以太網(wǎng)供電 (POE) 是一個不斷發(fā)展的領(lǐng)域，它允許通過現(xiàn)有的以太網(wǎng)電纜傳輸直流電。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸范圍可以從較舊和較慢的 10base-T 和 100Base-T 到較新的千兆位速度，如 1000Base-T、2.5GBase-T 和 5GBase-T。它們通常使用由 8 根線組成的 Cat5e 電纜，排列成 4 對，以差分模式傳輸和接收數(shù)據(jù)。千兆位速度要求所有 4 對都用于數(shù)據(jù)，而較慢的格式使用 2 對作為備用。100m 是設(shè)備到設(shè)備的最大電纜長度。

基本級別的 POE 包括為電纜提供電力的電源設(shè)備 (PSE) 和接收該電力并驅(qū)動負(fù)載或應(yīng)用程序的接收端的電源設(shè)備 (PD)。

電力作為兩個線對之間的共模電壓發(fā)送。最簡單的方法是在 10Base-T 和 100Base-T 上可用的備用線對上提供始終開啟的電源，而 PSE 和 PD 之間無需通信/協(xié)商。這稱為無源 POE，例如，可用于為無線電天線提供 24V 電壓。如果負(fù)載發(fā)生變化或出現(xiàn)故障，它也是最不靈活且可能不安全的。從 2003 年開始，已經(jīng)為主動 POE 交付方法開發(fā)了幾個標(biāo)準(zhǔn)，稱為 IEEE 802.af、802.at 和最新的 802.bt。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 POE 的整個環(huán)境，包括功率等級、PSE 和 PD 之間的協(xié)商和握手協(xié)議等。

有關(guān)這些 IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)中分類的各種 POE 模式的一些特性的基本指南?？梢钥闯觯罱?IEEE 802.bt 標(biāo)準(zhǔn)的功率能力已顯著提高。早期的標(biāo)準(zhǔn)主要用于基本的 IP 電話、靜態(tài)安全攝像頭和 Wifi 接入點。擴(kuò)大其使用范圍的需要促使更高的功率類別。這些現(xiàn)在可以服務(wù)于更廣泛的應(yīng)用用途，例如具有傾斜/縮放功能的全視頻安全攝像機、銷售點 (POS) 終端、網(wǎng)絡(luò)打印機、照明甚至計算機。通過增強型 POE 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn) Cat5e 以太網(wǎng)線路上的 48V DC 傳輸可以促進(jìn)在結(jié)構(gòu)中內(nèi)置 LVDC 的智能建筑的實現(xiàn)，從而實現(xiàn)更高效、

除了增強的供電能力外，802.bt 還使供電更智能、更靈活。例如，一些新功能現(xiàn)在包括：

1. 自動分類：PSE可以根據(jù)PD的實際用電量動態(tài)調(diào)整下發(fā)的功率等級

2. 兩種可互操作的 PD 分類稱為“單簽名”和“雙簽名”。這些圖還顯示了使用帶中心抽頭的變壓器產(chǎn)生通過雙絞線傳輸?shù)墓材ｋ妷旱幕究驁D。例如，在雙簽名模式下，可以通過以太網(wǎng)連接饋送兩種不同的負(fù)載等級，例如相機和網(wǎng)絡(luò)打印機。

3. 保持功率特征 (MPS) 允許 PD 在特定持續(xù)時間使用脈沖向 PSE 發(fā)出它正在保持功率的信號。此 MPS 脈沖持續(xù)時間已降低，以允許更低的待機功耗

4. 另一個改進(jìn)是擴(kuò)展的功率能力，PD 測量通過傳輸?shù)膶崟r功率損耗，從而測量所需的最小功率，從而節(jié)省了超過硬定義規(guī)范的功率。

讓我們更詳細(xì)地看一下定義 POE 的關(guān)鍵塊：

1)PSE

在許多方面，這可以被認(rèn)為是主設(shè)備，因為它根據(jù)從 PD 接收到的反饋以及它自己的能力來控制電力輸送檢測和分類。它確保完成正確的握手并且 PD 是一個實際的 POE 設(shè)備。一般來說，PSE有2類：

a)端點：PSE 是一個以太網(wǎng)交換機，它允許以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和 POE 電源從源頭傳輸。

b) 中跨：也稱為注入器，將 POE 注入現(xiàn)有的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線

PSE 的安全標(biāo)準(zhǔn)已在 IEEE 802.3xx 和 IEC 609500-1 中定義，要求在 50-60 Hz 下 1500 Vrms 隔離 60 秒，并且能夠承受 1500V、10/700 us 施加 10 次而沒有任何絕緣擊穿。這是在 48 V 電源和承載它的線對和任何機箱接地以及 PSE 中的邏輯電路之間。一些微控制器 (MCU) 制造商擁有包含 PSE 芯片組的 POE 解決方案，其中連接到主機的數(shù)字部分位于 MCU 芯片上，而 POE 數(shù)據(jù)輸出由與此電隔離的混合信號芯片控制單片機。這方面的例子包括 Microchip Technology 的 PD69210/PD69208 和 Analog Devices 的 LTC4291/4292。芯片組之間的隔離可以是光學(xué)的或使用 1:1 變壓器。PSE 在啟動期間通過限制浪涌電流來保護(hù) PD 電路，具體取決于類別，并提供其他安全功能，例如在檢測到線路/PD 上的故障或發(fā)現(xiàn) PD 不正常時移除電源汲取力量。Microchip Technology PD692xx PSE 系列對芯片和驅(qū)動器進(jìn)行溫度監(jiān)控MOSFET并在超出限制時關(guān)閉輸出端口電源。

2) PD

由于 POE 電源可以在任一極性上傳輸中，因此 PD 提供了需要全二極管橋接的極性保護(hù)。PD 向 PSE 提供簽名以允許進(jìn)行有效檢測。檢測是通過來自 PSE 的一系列低壓測試脈沖完成的。PD 上的精密電阻器(23.7 至 26.3 kOhms 以及 50 至 120nF 的輸入電容)確保檢測。接下來，正確功率級別的分類階段需要基于 PD 上使用的電阻器進(jìn)一步進(jìn)行 PSE 到 PD 握手。PD 必須提供與上述 PSE 部分中描述的從接地到任何用戶可訪問部件的相同級別的隔離。PD 通常會將 48V 電源提供給 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，例如降壓轉(zhuǎn)換器，理想情況下，它應(yīng)該與 PD 隔離。在 PD 前端使用的二極管橋最好是理想二極管橋 (IDB)。由于大大降低了正向電壓降，使用 MOSFET 代替二極管可顯著提高電橋的效率。

八個 MOSFET 將用于所有四對所需的兩個電橋。它們的額定電壓通常至少為 100V BVDSS?？刂破餍酒瑢⒖刂?IDB 門。HS NMOS FET 需要使用電荷泵驅(qū)動，以確保正常工作的 Vgs。Onsemi 的 FDMQ8205A IDB 使用的另一種選擇是在高端使用 PMOS 器件，然后只需要一個二極管和齊納二極管從 POE 輸入驅(qū)動到電橋以保持正確的 Vgs，因此不需要電荷泵. IDB MOSFET 也可以集成到 IDB 控制器中，F(xiàn)DMQ8205A 就是這種情況。PD 控制器驅(qū)動一個輸出 MOSFET，它可以在內(nèi)部集成到為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電的控制器芯片中。此外，許多 PD 控制器現(xiàn)在也集成了 DC/DC 控制器。這方面的一個例子是德州儀器的 TPS 2370 PD，它帶有一個集成的 DC/DC 控制器。該控制器支持 1-6 類(最大 51W)，并具有具有反激或有源鉗位正向功能的 PWM。

3) 浪涌和浪涌保護(hù)：由于以太網(wǎng)電纜暴露在外部環(huán)境中，需要通過 POE 設(shè)置提供保護(hù)，以防止損壞任何用戶設(shè)備以及 PSE/PD 電路。已為此定義了 EN 61000 4-5、ITU-T K21 和 GR-1089 等標(biāo)準(zhǔn)。這包括共模保護(hù)(即線對和地之間)以及線對線差模保護(hù)。保護(hù)設(shè)備通常包括 58V 瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 以及金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)，可用于提供雙向瞬態(tài)浪涌保護(hù)，例如雷擊引起的浪涌保護(hù)。例如，PD 輸出驅(qū)動器 MOSFET 還需要處理來自電容充電 (I = C dV/dt) 的初始 POE 啟動的浪涌電流，并且可靠性測試需要涵蓋這方面。