現(xiàn)在就實(shí)現(xiàn)IEEE 802.3bt 71W PoE標(biāo)準(zhǔn)

引 言

以太網(wǎng)供電 (PoE) 技術(shù)日益流行和成熟，因此供電設(shè)備 (PSE) 和受電設(shè)備 (PD) 開發(fā)人員熱切盼望追隨下一波IEEE潮流，開始通過以太網(wǎng)電纜提供更大功率，也就不足為奇了。不過，就像很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一樣，IEEE PoE標(biāo)準(zhǔn)的最終確定常常遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于市場(chǎng)所需。IEEE PoE 特別小組的最新時(shí)間表顯示，71W 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)直到2018年初都不會(huì)準(zhǔn)備就緒。從技術(shù)角度而言，這樣的等待時(shí)間太長了，等待這么久意味著很容易錯(cuò)過商機(jī)或市場(chǎng)機(jī)會(huì)。那么，在這種情況下，PSE和PD開發(fā)人員應(yīng)該怎么辦? 沒什么可說的，當(dāng)然是現(xiàn)在就開始設(shè)計(jì)和制造設(shè)備！想讓產(chǎn)品率先進(jìn)入 802.3bt 市場(chǎng)的開發(fā)人員今天有ADI公司的 LT4295 IEEE 802.3bt PD 控制器可用，該控制器符合標(biāo)準(zhǔn)草案 2.0 版要求。

圖1 IEEE 802.3bt PSE-PD 鏈路的典型方框圖

功率越大，潛力越大

不出所料，IEEE PoE 特別小組和開發(fā)人員的關(guān)注點(diǎn)一直落在最終為PD提供多大功率上。2003 年，IEEE PoE 特別小組在最初的 IEEE 802.3af PoE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，向PD輸入端的RJ-45插座提供約13 W功率。此后，市場(chǎng)不斷要求更大功率。因此在2009 年，IEEE PoE特別小組修訂了標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了IEEE 802.3at (也稱為 PoE+)，將最大PD功率級(jí)提高到25.5 W。到今天，人們預(yù)計(jì)，目前正在制訂中的修訂版 IEEE 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn) 2.0 (也稱為 PoE++ 或 4PPoE)將為PD提供高達(dá)71 W功率。

有了更大的功率，開發(fā)人員就可以非常容易地增加更多功能并升級(jí)已有產(chǎn)品。以安防攝像頭為例，這種應(yīng)用一直隨著PoE標(biāo)準(zhǔn)的修訂而不斷演變。在僅有13 W功率可用時(shí)，最初的PoE供電安防攝像頭僅是簡單的靜止系統(tǒng)。然而，當(dāng)802.3at分配了25.5 W 功率以后，就有了更大功率來驅(qū)動(dòng)多種嵌入式電動(dòng)機(jī)，從而使安防攝像頭可以提供上下、左右移動(dòng)和變焦功能?，F(xiàn)在，由于可以利用802.3bt的 71 W 功率，所以具備上下、左右移動(dòng)和變焦功能的安防攝像頭還可以集成風(fēng)扇和加熱組件，以支持在極端溫度下運(yùn)行。在有些情況下，更高的 PoE 功率級(jí)有可能助力打開全新市場(chǎng)。例如，傳統(tǒng)LED照明設(shè)備制造商可能只生產(chǎn)安裝在天花板上、用墻上開關(guān)控制的照明燈，但是現(xiàn)在，它們可以生產(chǎn)支持PoE的產(chǎn)品，這將有助于為智能家居或智能建筑創(chuàng)造機(jī)會(huì)。無論更大的功率是否促進(jìn)了最終產(chǎn)品的演變或徹底改變，很顯然的是，PoE 標(biāo)準(zhǔn)的每一次修訂都帶來了更大的市場(chǎng)潛力。

對(duì) PSE-PD 鏈路的改變

正如您也許已經(jīng)猜到的那樣：4PPoE 代表“4線對(duì) PoE”，因?yàn)?02.3bt規(guī)范利用以太網(wǎng)電纜中的所有 4 根雙絞線以實(shí)現(xiàn)長達(dá)100 m的功率傳輸；在較舊的PoE標(biāo)準(zhǔn)中，4線對(duì)功率輸送不兼容。圖1示出了IEEE 802.3bt PSE-PD鏈路的典型方框圖。電纜布線要求仍然懸而未決，但是電纜布線委員會(huì)和制造商正在猜測(cè)：802.3bt將要求至少采用Category 5E電纜，旨在支持增加的功率水平并以10GBASE-T (10 Gbit/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率) 運(yùn)作。在任何場(chǎng)合，由于我們現(xiàn)今逐步達(dá)到以太網(wǎng)電纜的電流處理極限，因此可能要留意先前被忽視的電纜布線系統(tǒng)性能特征。

802.3bt引入了兩種新型PD拓?fù)洌簡翁卣骱碗p特征。單特征PD是在兩個(gè)線對(duì)(pairset)之間共用相同的檢測(cè)特征、分級(jí)特征和維持功率特征(MPS)的802.3bt PD，而雙特征PD則是在兩個(gè)線對(duì)之間具有獨(dú)立特征的802.3bt PD。毫無疑問，新的802.3bt設(shè)計(jì)將趨向于采用較為簡單和更具成本效益的單特征拓?fù)洌撏負(fù)鋬H需要單個(gè)PD接口。雙特征PD需要兩個(gè)并行PD接口(每個(gè)線對(duì)各用一個(gè))，來自兩個(gè)PSE的功率在每個(gè)PD接口之后相加。例如，雙特征拓?fù)鋵?shí)質(zhì)上采用兩個(gè)25.5 W PD以構(gòu)成單個(gè)51 W PD，這是一種成本有可能高達(dá)單特征51 W PD之兩倍的復(fù)雜解決方案。

802.3bt檢測(cè)過程已被擴(kuò)展到不僅能夠辨別所連接的PD是符合802.3標(biāo)準(zhǔn)的PD，而且還可確定連接的是單特征PD還是雙特征PD。正因?yàn)槿绱?，檢測(cè)功能如今利用“連接檢查” (Connection Check) 進(jìn)行了擴(kuò)充，以確定單特征或雙特征PD配置。

802.3bt規(guī)范引入了4種新的高功率PD分級(jí) (Class)，從而使單特征類別的總數(shù)達(dá)到9個(gè)，如表1所列。Class 5～8對(duì)于PoE標(biāo)準(zhǔn)而言是新的，并轉(zhuǎn)化為40.0～71.0 W的PD功率水平。PSE仍然可選擇使用物理層(即：用于71 W的5事件分級(jí)) 或數(shù)據(jù)鏈路層(即：鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議，LLDP) 進(jìn)行PD的分級(jí)，而且PD依然必需能夠支持兩種分級(jí)方案以與標(biāo)準(zhǔn)相符。另外，802.3bt 還可以實(shí)現(xiàn)物理層分級(jí)的一種任選擴(kuò)展(稱為“Autoclass”)，在此擴(kuò)展中一個(gè) 802.3bt PSE測(cè)量一個(gè)連接PD的實(shí)際最大吸取功率。舉個(gè)例子，這種便利的功率管理功能允許PSE把剩余的功率分配給附加的燈泡 (如果它知道某個(gè)特定燈泡所吸取的功率低于其分級(jí)功率)。

表1 IEEE 802.3bt PD 分級(jí)和功率水平

對(duì)于那些需要PD在深度睡眠模式之用戶，他們將很高興地發(fā)現(xiàn)：802.3bt規(guī)范提出了維持功率特征(MPS)的一種較低功率版本，被稱為“低 MPS”。根據(jù)較舊的PoE標(biāo)準(zhǔn)，PD必須以32%的占空比吸收一個(gè)小的DC電流，旨在告知PSE把PD保持在接通狀態(tài)。然而，這種相對(duì)較高的占空比在某些應(yīng)用中會(huì)迅速成為一項(xiàng)負(fù)擔(dān)，比如：當(dāng)您考慮新的“高效節(jié)能型”建筑標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。目前，802.3bt PD僅需以～2%的占空比維持一個(gè)小的DC電流，因而大幅度地減小了待機(jī)電流。

表2匯總了802.3bt PD的類型(Type)和特性。您或許已經(jīng)熟悉了Type 1和Type 2 PD，它們分別由802.3af和802.3at規(guī)范提出，并且通常映射到一種或多種獨(dú)特的分級(jí) (功率水平)。然而，802.3bt的新型Type 3和Type 4 PD就不是那么簡單了。正如可從“PD 分級(jí)”欄看到的那樣，除了Class 0之外，Type 3 PD涵蓋和擴(kuò)展了 Type 1 和 Type 2 PD 中的分級(jí)。相似地，Class 5被Type 3單特征和Type 4雙特征PD所采用。此外，從表1可知，一個(gè) Class 5 單特征PD僅被分配了40 W，而一個(gè)Class 5雙特征PD則被分配了2×35.5 W；在雙特征PD中會(huì)使情況更加糟糕，因?yàn)槊總€(gè)線對(duì)獨(dú)立地工作，每個(gè)線對(duì)有可能處于不同的分級(jí)，例如：第一個(gè)線對(duì)上的Class 1(3.84 W)和第二個(gè)線對(duì)上的Class 2(6.49 W)形成了一個(gè)雙特征Class 1.2(10.3 W) PD。隨著雙特征PD的所有此類分級(jí)重疊和非標(biāo)準(zhǔn)功率水平的激增，重要的是開發(fā)人員和用戶等不再把PD類型與PD分級(jí)等同起來，也不再把PD分級(jí)與PD功率水平視為同義。作為替代，明確地識(shí)別PD的特征拓?fù)浜头旨?jí)并謹(jǐn)慎地檢查PD“類型”的真實(shí)含義對(duì)每個(gè)人都將是最有益的。

表2 IEEE 802.3bt PD 類型和特性概要

不言而喻，802.3bt可向后兼容802.3at和802.3af。一個(gè)較低功率802.3at或802.3af PD 可連接至一個(gè)較高功率802.3bt PSE，這不會(huì)有任何問題。而且，當(dāng)情況反過來的時(shí)候，即一個(gè)較高功率802.3bt PD連接至一個(gè)較低功率802.3at或802.3af PSE，PD只需能夠工作在各自的較低功率狀態(tài)即可，這被稱為“降級(jí)”。如果PD忽略降級(jí)并工作在其最高功率狀態(tài)，則高耗電的PD將導(dǎo)致PSE反復(fù)地接通，達(dá)到其電流限值，然后關(guān)斷。這實(shí)際上使 PSE產(chǎn)生低頻寄生振蕩。因此，“降級(jí)”是802.3at和802.3af規(guī)范所要求的，但遺憾的是在許多實(shí)施方案中被忽視了。

盡可能地使用所有的可用功率

高功率PD設(shè)計(jì)最重要的方面通常是成本和效率，這在很大程度上受到選擇用于實(shí)現(xiàn)PD接口之IC的影響。此外，從事空間受限型設(shè)計(jì)的開發(fā)人員還痛苦地意識(shí)到怎樣限制PD的尺寸只會(huì)成為更大的挑戰(zhàn)，原因是較高的功率水平需要使用較大的分立組件和較大的散熱器。為此，ADI提供了三款專為實(shí)現(xiàn)802.3bt PD性能之最大化、可簡化工作任務(wù)而特別設(shè)計(jì)的IC。圖2示出了具有一個(gè)輔助輸入的高效率單特征802.3bt PD接口的簡化方框圖。該解決方案擁有高于94%的端到端(RJ-45輸入至PD負(fù)載)效率，并可在-40～125 °C 的溫度范圍內(nèi)工作。

圖2 具有輔助輸入的高效率IEEE 802.3bt單特征PD接口的簡化方框圖

示于圖2中RJ-45接口上的LT4321是一款理想二極管橋控制器，其可取代兩個(gè)二極管橋式整流器 (圖 1)。LT4321 采用低功耗N溝道MOSFET橋以同時(shí)增加PD的可用功率并減少散熱量。802.3bt規(guī)范要求PD在其以太網(wǎng)輸入端上能夠接受任何極性的DC電源電壓，這樣LT4321可對(duì)來自數(shù)據(jù)線對(duì)和空閑線對(duì)的電源進(jìn)行平滑地整流并將其整合為極性正確的單個(gè)電源輸出。由于電源效率提高實(shí)際上免除了散熱要求，所以總體電路尺寸和成本得以降低。功率可降低10倍或更多，從而使PD能夠保持在分級(jí)功率預(yù)算之內(nèi)，或者使PD能夠增加功能。

在圖2中位于理想二極管橋控制器之后的是PD接口的“大腦中樞”LT4295，其為一款符合 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的PD接口控制器，集成了一個(gè)高效率正激式或無光耦合反激式控制器。LT4295利用一個(gè)集成型25 kΩ特征電阻、高達(dá)5事件分級(jí)檢測(cè)和一種單特征拓?fù)渲С炙?種PD分級(jí)和所有4種PD類型。除了提供更多的PD功率之外，使LT4295優(yōu)于傳統(tǒng)PD控制器的因素是其采用一個(gè)外部功率MOSFET以大幅度地降低總體PD散熱量并實(shí)現(xiàn)電源效率的最大化，由于802.3bt的功率水平更高，因此這一點(diǎn)再次變得更為重要。這種新穎方法使用戶能夠按照應(yīng)用的具體散熱和效率要求選擇MOSFET尺寸，從而允許選用導(dǎo)通電阻低至30 mΩ的MOSFET。

如果802.3bt的71.0 W讓您渴望獲得更多的功率，則可尋求ADI LTPoE++ PSE和PD控制器系列的幫助，這些器件能提供高達(dá)90 W的功率水平。LTPoE++規(guī)范采用了一種與802.3bt規(guī)范相似的分級(jí)方案，可使LTPoE++ PSE控制器與LTPoE++ PD控制器可靠地相互通信，同時(shí)保持與802.3at和802.3af設(shè)備的互操作性。只需一根電纜，就能實(shí)現(xiàn)LTPoE++ PD在LTPoE++ PSE 上的“即插即用”，所有的信號(hào)交換均利用硬件自動(dòng)地處理，無需軟件！

最后，對(duì)于那些具有必須能支持一個(gè)輔助電源的802.3bt PD(除了PoE以外，PD還可選擇由一個(gè)電源適配器供電) 的用戶，示于圖2頂部的LT4320是一款9～72 V理想二極管橋控制器，其采用低損耗N溝道MOSFET替代了全波橋式整流器中的全部4個(gè)二極管，以顯著地降低功率耗散并增加可用電壓。由于電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器，因此可縮減電源和墻上變壓器的尺寸。另外，通過幾乎消除熱運(yùn)行二極管橋中固有的兩個(gè)完整二極管壓降(約1.2 V，在12 V時(shí)為10%) 提供了額外的裕度 (從而增加了應(yīng)用的儲(chǔ)備空間)，低電壓應(yīng)用亦能從中獲益。

結(jié) 論