通过数据线为以太网设备供电

作者：Thomas Brand

在过程自动化系统中，必须监测和测量温度、压力、流速、湿度等重要参数。在工业4.0时代，以太网是一种流行的通信标准。由于以太网是有线的，而变送器和传感器通常需要电源，因此出现了一个问题：为什么不使用以太网电缆进行数据传输和供电？

本文介绍以太网设备如何同时使用电缆传输数据和供电。以太网供电（PoE）系统在工业中得到广泛应用，并将在未来发挥重要作用。

PoE 标准

通过 Cat-5 电缆供电在 IEEE 802.3af 以太网供电标准中定义。PoE 标准过去仅限于几瓦，但较新的 PoE 技术可实现更高的功率。例如，PoE+ 允许每个端口高达 25 W 的功率，PoE++（四对以太网供电系统）通过使用现有电缆的所有电线，功率范围为 70 W 至 100 W。在此PoE标准的同时，ADI公司还定义了专有标准LTPoE++™，其中定义了高达 90 W 的受电设备 （PD） 功率规格（请参阅表 1）。

LTPoE++ 降低了 PoE 系统相对于类似解决方案的技术复杂性。即插即用功能、易于实施以及安全、可靠的电源是 LTPoE++ 的进一步特性。此外，LTPoE++是可互操作的，并且与IEEE的标准PoE规范向后兼容。但是，由于系统中的损耗以及电缆损耗，实际可用功率略低于指定的PD功率，PoE+和PoE++也是如此。

PoE 组件

基本上，通过以太网电缆为设备供电需要两个组件：用电设备和供电设备 （PSE）。

图1.显示 PoE 系统主要组件的框图。

PSE的任务是像电源一样提供电力，而PD接收电力并使用它（负载）。PSE 设备在通电时具有签名过程，以保护不兼容的设备在连接时免受损坏。这涉及首先检查PD的签名电阻。仅当该值正确（25 kΩ）时，PD才会供电。如果 PSE 检测到 PD，则从分类开始;也就是说，确定所连接设备的功率要求。为此，PSE施加定义的电压并测量产生的电流。PD 根据当前水平分配给功率等级。如果一切正确，将提供完整的电压和电流。一旦提供PD，它的任务就是将–48 V的PoE电压转换为适合终端设备的电源电压。在典型的PD设计中，使用额外的DC-DC转换器（二极管桥控制器）。它的任务是调整或满足PD提供的组件的功率要求。较新的IC已经提供了将接口和DC-DC转换器集成到单个组件中的可能性，以实现低功耗等级，从而简化了设计。

由于 PD 必须根据 IEEE 802.3 PoE 规范在其以太网输入端接受任意极性的直流工作电压，因此 PD 输入端前面需要两个二极管桥。因此，无论使用何种线对，PD也适用于反极性。

PD 实施变得简单

利用 ADI 公司的 LT4276，存在一款具有集成隔离式开关稳压器的 LTPoE++、PoE+- 和 PoE 兼容型 PD 控制器。它可以同时用于正激式和反激式拓扑，并同步工作在 2 W 至 90 W 的功率等级下。与同样具有集成功率 MOSFET 的较低功率等级的传统 PD 控制器不同，LT4276 提供了驱动一个外部 MOSFET 的选项。通过这种方式，PD减少了损失并提高了效率。

由于 IEEE 802.3 以太网规范要求与器件外壳的接地连接进行电气隔离，因此 LTC4290 / LTC4271 隔离式控制器芯片组适合用作 PSE。LTC4271 在非隔离侧代表与 PSE 主机的数字接口，而 LTC4290 在隔离侧提供以太网接口。这两个组件通过一个简单的以太网变送器连接。通过这种强大的PSE芯片组设计，可以避免用于产生隔离电源的额外组件。

如果将PD侧全桥整流器的两个二极管替换为理想二极管，则可以提高整个PoE系统的功率和效率。因此，MOSFET的使用和控制使其像典型的二极管一样工作。这样，由于通道电阻低（RDS（ON）).利用 LT4321 理想二极管桥控制器与 LT4295 PD 控制器的组合，可在全脊型配置中控制 3 个 MOSFET （参见图 <>）。

图2.PoE 电路示例。


图3.传统二极管整流与通过二极管桥式控制器驱动。

借助 PoE，以太网设备可以在通过 RJ45 电缆进行实际数据传输的同时供电。ADI公司开发了自己的专有标准LTPoE++，与传统PoE标准并行支持高达90 W的功率。LTPoE++ 提供稳健的端到端高功率 PoE 解决方案，可简化电源和设计。

新的计时™产品组合是ADI公司面向创新工业以太网产品的产品组合。它包括实时以太网交换机、PHY 和协议处理产品，以及完整的网络接口产品。ADI公司发布了两款新的稳健型工业以太网PHY，ADIN1300（具有10 Mbps至1 Gbps范围）和ADIN1200（具有10 Mbps至100 Mbps范围），从而扩展了Chronous产品组合。通过将这些新型PHY与ADI的PoE技术相结合，Chronous产品组合可为电源和数据提供一流的系统级解决方案。