如何實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)供電提供最高90W功率的互操作性挑戰(zhàn)

—— 解決在現(xiàn)有交換機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施中通過以太網(wǎng)供電提供最高90W功率的互操作性挑戰(zhàn)

Microchip Technology

PoE營銷與業(yè)務(wù)拓展資深經(jīng)理

Galit Mendelson

新一代5G技術(shù)能夠提供具有更高速度的先進(jìn)移動互聯(lián)網(wǎng)連接，可助力實(shí)現(xiàn)各種IoT和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，從而創(chuàng)造新的商機(jī)。這些應(yīng)用以空前的速度推動了將更多類型的受電設(shè)備(PD)連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的需求，這些設(shè)備包括IP監(jiān)控攝像頭、802.11ac和802.11ax接入點(diǎn)、LED燈具、5G小型基站以及其他IoT電器。以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)給在5G部署中為這些設(shè)備供電帶來了諸多優(yōu)勢，通過將供電設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)的功率限值分別設(shè)定為90W和71.3W，最新的IEEE® 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)讓這種可能性成為現(xiàn)實(shí)。

面臨的挑戰(zhàn)是如何部署支持這項(xiàng)最新一代PoE技術(shù)的PD，以便它們能夠與現(xiàn)有IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)之前的2對和4對PD協(xié)同工作，也就是支持早期符合之前標(biāo)準(zhǔn)的通用PoE(UPOE)和HDBaseT供電(POH)規(guī)范的PD。如今，行業(yè)已經(jīng)彌合了這種互操作性差距，可確保符合之前標(biāo)準(zhǔn)和全新IEEE 802.3bt-2018標(biāo)準(zhǔn)的PD能夠共用相同的以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，而無需更換現(xiàn)有的交換機(jī)或布線。

通向IEEE 802.3bt之路

自2003年批準(zhǔn)第一個PoE標(biāo)準(zhǔn)以來，PoE的應(yīng)用范圍大幅增長，并且在新應(yīng)用方面不斷取得進(jìn)展。在簡化安裝、節(jié)省CAPEX和OPEX成本以及為全球使用提供統(tǒng)一且安全的電源標(biāo)準(zhǔn)方面，PoE擁有巨大優(yōu)勢。

在新應(yīng)用中影響PoE使用的主要限制因素是可用功率的大小。盡管15.4W的電源足以滿足大多數(shù)IP電話和802.11a/b/g接入點(diǎn)的需求，但卻不足以為IP視頻電話、802.11n和云臺變焦控制(PTZ)IP攝像機(jī)供電。因此，電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)在2009年發(fā)布了IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了功率為30W的PoE電源。

如今，需要更高的功率來為連接到以太網(wǎng)的其他設(shè)備(例如PTZ監(jiān)控攝像頭、自助服務(wù)終端、POS終端、瘦客戶端、802.11ac和802.11ax接入點(diǎn)、小型基站以及聯(lián)網(wǎng)LED照明)提供支持，而這類設(shè)備均可從PoE中受益。為了滿足這一需求，新的IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)主要通過利用全部四對結(jié)構(gòu)化布線來提高PoE的最大可用功率。IEEE 802.3bt擴(kuò)展了在初始協(xié)商期間交換的電源分類信息，可實(shí)現(xiàn)高效的電源管理功能，支持多個PoE等級，同時還可向后兼容。這些增強(qiáng)功能解決了更高功率和更高效PoE供電系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)。

IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)意向征集(CFI)活動于2013年初開始，并于2018年9月獲得正式批準(zhǔn)。由于新標(biāo)準(zhǔn)通過將PSE和PD的功率限值分別設(shè)定為90W和71.3W來拓展PoE的使用場景，因此它不但能夠滿足現(xiàn)有市場需求，還被普遍認(rèn)為是PoE市場增長的主要推動因素。

不過，在IEEE 802.3bt實(shí)施之前，也有一些同步開展的工作在努力提高PD的供電性能。從IEEE 802.3af-2003 PoE標(biāo)準(zhǔn)開始，能夠通過兩對5e類(Cat5e)線纜為每個設(shè)備提供最高達(dá)15.4W的輸出功率。IEEE 802.3at-2009標(biāo)準(zhǔn)(也稱為PoE+)引入了支持30W輸出功率和25.5W負(fù)載功率的“Type 2”PSE/PD。后者主要是對第一個標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展。隨后，HDBaseT聯(lián)盟對HDBaseT協(xié)議進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，允許通過Cat5e或更高標(biāo)準(zhǔn)的線纜將HDMI鏈路擴(kuò)展到最長100m。2011年，HDBaseT聯(lián)盟創(chuàng)建了HDBaseT供電(PoH)標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將四對線纜的最大供電功率擴(kuò)展到95W。

下表匯總了IEEE 802.3bt之前的標(biāo)準(zhǔn)：

類型標(biāo)準(zhǔn)PSE最小輸入功率PD所能保證的最小輸入功率線纜類別線纜長度供電方式

Type 1IEEE® 802.3af15.4W12.95WCat5e100m2對

Type 2IEEE 802.3at30W25.5WCat5e100m2對

PoHPoH95W72W-95W 1Cat5e/6100m4對

注1：如果通道長度已知，則擴(kuò)展功率容量能夠?qū)崿F(xiàn)最高95W的PD輸入功率。

IEEE 802.3bt添加了許多功能。除了引入Type 3和Type 4 PSE/PD以及通過四對線纜工作之外，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)還支持單簽名和雙簽名PD結(jié)構(gòu)，并將等級5到等級8添加到了改進(jìn)的雙向認(rèn)證過程中。只要通道長度已知，就會添加自動分級功能，功率容量也會得到擴(kuò)展。最后，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)還包含低功耗待機(jī)功能，并且支持采用PoE的10G-BASE-T。下表給出了在IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)后提供的PoE功能。

類型標(biāo)準(zhǔn)PSE最小輸出功率PD最小輸入功率線纜類別線纜長度供電方式

Type 1IEEE® 802.3af15.4W12.95WCat5e100m2對

Type 2IEEE 802.3at30W25.5WCat5e100m2對

Type 3IEEE 802.3bt60W51W-60W 1Cat5e100m2對或4對0-4級

4對5-6級

Type 4IEEE 802.3bt90W71W-90W 1Cat5e100m4對7-8級

注1：如果通道長度已知，則擴(kuò)展功率容量能夠?qū)崿F(xiàn)最高60W(Type 3)和90W(Type 4)的PD輸入功率。

IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)之一是符合ISO/IEC 60950中定義的有限電源和安全特低電壓(SELV)要求。但是，這種合規(guī)性意味著每個端口的功率都不能超過100W。盡管存在這一功率上限，但每個端口100W的功率仍足以滿足先前在原有IEEE標(biāo)準(zhǔn)下不支持的應(yīng)用的需求，這樣便能擴(kuò)展PoE端口部署的潛在數(shù)量。

確?；ゲ僮餍?

只有PSE能夠(在功率方面)支持PD并且兩者均符合標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.3bt規(guī)范便可確保IEEE 802.3bt系統(tǒng)能夠自動與傳統(tǒng)Type 1和Type 2設(shè)備配合工作。如果PD需要更高的功率(IEEE 802.3bt PD)而PSE無法支持該P(yáng)D(IEEE 802.3af/at PSE)，那么PD將保持關(guān)閉狀態(tài)，或者進(jìn)入開啟狀態(tài)而只消耗來自PSE的可用功率。

最早提供這種互操作性的解決方案示例之一是Microchip的PSE芯片組，它實(shí)現(xiàn)了符合之前標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)與符合新IEEE 802.3bt-2018標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品之間的互操作。該芯片組基于Microchip的早期PSE芯片組，用于實(shí)現(xiàn)已廣泛采用的PoH四對供電標(biāo)準(zhǔn)(適用于95W PD)。另外，它也是符合IEEE 802.3bt-2018標(biāo)準(zhǔn)的PoE供電器和中跨產(chǎn)品的核心，可為用戶彌合互操作性差距。

通過在PD與現(xiàn)有交換機(jī)之間安裝符合IEEE 802.3bt-2018標(biāo)準(zhǔn)的PoE注入器和中跨，用戶能夠?yàn)榉现皹?biāo)準(zhǔn)的PD與符合IEEE 802.3bt-2018標(biāo)準(zhǔn)的PD的任意組合供電。通過使用單端口和多端口選項(xiàng)，符合新IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)也能夠?yàn)闈M足之前標(biāo)準(zhǔn)的PD供電。

對于系統(tǒng)開發(fā)人員而言，IEEE 802.3af/at/bt PoE芯片組提供了可擴(kuò)展性，能夠?qū)⒅С址现皹?biāo)準(zhǔn)和符合IEEE 802.3bt-2018標(biāo)準(zhǔn)的PoE所需的兩對和四對系統(tǒng)集成到單板設(shè)計(jì)中。這些芯片組必須能夠均衡整個系統(tǒng)的散熱，并且應(yīng)包含構(gòu)建PSE設(shè)備所需的所有管理器和控制器功能，這些設(shè)備可為每個端口提供90W至99.9W的功率，同時為IEEE 802.3bt Type 3(1-6級)和Type 4(7-8級)應(yīng)用提供最多48個端口的支持。需要額外考慮的是，基于這些芯片組的系統(tǒng)應(yīng)具有無需更改硬件即可通過軟件更新將早期標(biāo)準(zhǔn)升級到IEEE 802.3bt的能力。

開發(fā)人員的最后一個擔(dān)憂是能否保護(hù)PD免受反極性連接的影響，并減少提供IEEE 802.3bt Type 4 8級電源所需的電源空間和成本。借助在PoE連接的供電側(cè)所使用的全橋整流器，最新的IEEE 802.3bt解決方案也解決了這一問題。

新的IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)能夠通過四對Cat5e線纜及更高標(biāo)準(zhǔn)的線纜提供90W的功率。這一PoE等級預(yù)計(jì)是已定義的最高級別，因?yàn)楦叩募墑e對于當(dāng)今基礎(chǔ)設(shè)施中部署的現(xiàn)有線纜和連接器可能并不安全。此標(biāo)準(zhǔn)將取代目前提供60W/75W/95W的所有現(xiàn)有符合之前標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，例如UPOE或4PPoE。PoE系統(tǒng)和設(shè)備供應(yīng)商提供了實(shí)現(xiàn)這些新標(biāo)準(zhǔn)的路線圖，同時也為早期符合之前標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方案(包括支持UPOE和POH規(guī)范的實(shí)現(xiàn)方案)提供支持。符合之前標(biāo)準(zhǔn)的PD和符合新IEEE 802.3bt-2018標(biāo)準(zhǔn)的PD在合理實(shí)現(xiàn)后可以共用相同的以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，而無需更換現(xiàn)有的交換機(jī)或線纜。