设计用于物联网(IoT)的以太网供电受电设备(PoE－PD)

作者：安森美半导体产品营销经理Riley Beck

互联的设备依赖于两个核心功能，即通信回传和电源。对于物联网(IoT)设备，经常会出现三个核心问题：电源、通信和安全性。像WiFi这样的无线技术已在市场上引起了人们的关注多年，但却为这三个问题困扰。无线电池供电的设备需要定期充电，WiFi的频段饱和。这是当今两个常见的问题。较大的功率需求需要主电源连接，这使安装点复杂并受到限制。

以太网供电(PoE)经现有以太网基础设施提供灵活性、可靠性、安全性和电源来解决这些问题。自从2003年由IEEE首次发布以来已取得了飞跃性的发展。最新的IEEE 802.3bt批准使其成为市场上的佼佼者，通过Cat5 / Cat6电缆提供10G-BASE-T和60W至90W的功率。

提升的功率

最初，Type 1电源设备（或PSE）只能提供最高15.4 W的功率，Type 2增加了一倍，达到30 W。现在，2018年9月发布的Type 3和Type 4的功率分别达到60 W和90 W。这打开了启用互联设备世界的大门，这些设备包括无线和蜂窝基站、平移倾斜变焦（PZT）和半球摄像机、电视、交互式显示器和信息站。单根低压电缆同时配以专用高速通信，使布线更少，是物联网（IoT）和工业物联网（IIoT）的智能楼宇维护和安装的理想选择。

以太网供电是有线通信和供电系统，使用现有的以太网网络为端点设备供电。在这些系统中，电源设备（PSE）经由八根电线提供电源，这些电线布置成四对双绞线（Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a）电缆，采用RJ45型连接器连接到受电设备（PD）。PSE向端点提供高达57 V的电压。由于该电压小于60 V，因此符合安全特低电压指令（SELV），使电气安全，并且不需要有资质的电工或掩埋电缆，从而简化了安装和维护。该标准将每个端口的功率限制为90W，使这成为以太网电缆传输的最大功率。

该标准最初定于2017年发布，在正式发布之前不断更新，以确保与以前的版本兼容。PoE规范的最新更新IEEE 802.3bt引入了Type 3和Type 4电源设备（PSE）和受电设备（PD）。为了提供更高的电流，新标准允许同时使用两种功率模式（模式A和模式B），通常称为4对或4PPOE，经由4对而不是Type 1和Type 2供电。

添加的3类，即5至8类，具有改进的相互识别过程和自动分类功能。此更新还带来了更低的待机功耗，并支持10G-BASE-T和PoE。

用PoE设计

设计受电设备时，要考虑许多功能，包括运行模式、PD检测和分类。为了避免损坏非PoE设备，PSE必须在提供电源之前检测是否已连接受电设备。使用有效特征检测PD模式，并在受电设备中使用25kΩ电阻去实施。当PSE提供两个连续的电压（V1 = 2.7 V和V2 = 10.1 V）用于电阻检测时，它记录电流值，确定PD的存在，然后激活为设备供电。图1描绘了启动期间的电阻检测阶段。

图1：启动阶段的波形

在分类阶段，确定受电设备的最大功率要求。连接到PD的PoE控制器的另一个电阻指示功率范围。表1显示了单特征PD的不同类别及其最大平均功率。类别不要与Type混淆，它涉及所连接设备的特定功率。在IEEE 802.3af / at（Type 1和Type 2设备）中，使用了单特征PD。IEEE 802.3bt添加了双特征PD，其中每种模式或替代方案（A和B）使用单独的输入桥式整流器和PD控制器。

可选的分类扩展是自动分类。在“自动分类”中，PSE会测量特定时间段内连接的PD的功耗，从而可以确定PD所需的最大功率。自动分类绝不会使用双特征PD来实现。

表1列出了新类别和类型在受电设备接收到的功率以及每种类型支持的模式。

表1：单特征PD的最大平均功率

一旦检测到受电设备并确定了类别，它就必须保持电源特征。对于Type 1和Type 2设备，所需的最小功率特征为10mA，占空比为20％。为了使端口保持激活状态，浪费了至少2.31 mA的平均电流。在50 V时，达到115 mW，在更大的部署中很快地相加。对于Type 3和Type 4供电设备，占空比降低到1.875％，这使得每个设备的功率小于10 mW，从而使待机功耗降低了90％。

在网络上存在大量设备的互联照明应用中，严格要求MPS。即使对无线回传、Wi-Fi接入点和安防摄像头等始终在线的设备来说，它也是必需的，即使不那么关键。

PoE模式

功率分配分为三种模式：模式A、模式B（也称为替代A和替代B）和4对。对于10BASE-T / 100BASE-TX，在模式A下，电源与数据对1-2和3-6同时传送。模式B由备用对4-5和7-8供电。在1000BASE-T应用（四对）中，模式A和模式B的电力也同时由4对传输。使用标准以太网变压器的中心抽头提取共模电压，然后DC - DC转换器为系统提供稳定的输出电压。

图2所示是Type 1和Type 2应用的模式A和模式B供电。图3描绘了Type 3和Type 4中4对模式的接线。

图2：模式A和模式B PoE功率传输

图3：4对PoE功率传输

在设计使用PoE的设备时，考虑互连电缆很重要。以太网的电缆长度最大为100 m，它具有直流电阻，同时会降低电压并因发热而耗散功率。5类或Cat5电缆是以太网网络中使用的双绞线电缆，用于在PoE网络中供电。它支持高达100 Mhz，适用于10/100 / 1000BASE-T。类别6或Cat6是对Cat5电缆的改进，并支持高达500 Mhz，适用于10GBASE-T以太网速度。

一根100m的Cat5电缆的直流电阻为12.5Ω，其中Cat6的电缆每100m的直流电阻为7Ω。传输损耗随着差分对中电流的增加而增加。在25 W PD的典型输入电压为50 V的情况下，电流为0.5A。这在Cat5中的传输损耗总计为2.5 W，在Cat6中的传输损耗总计为1.75 W，这些损耗因发热而耗散。对于90 W的设备，此传输损耗在四对之间共享，每对为930 mA，PSE至少为52V。在Cat5中为17.30 W，在Cat6中为2x6.05W。这表明Cat5对于任何应用都是足够的和安全的。

联接

安装时应仔细考虑布线。必须计算电缆长度和设备电源之间的折衷，以提高能效和降低电缆损坏的风险。

Diode Bridge：二极管桥

Total Solution Size：总方案尺寸

图4：GreenBridge™方案对比二极管桥

受电设备控制器进行转换，并通过附加的DC - DC转换器调节PD侧的输入电压。二极管桥是用于典型PoE设备的一种低成本方案。这些在低功率设备上就足够了，但是随着功率的增加，这方案变得有问题。在25.5 W，最小42.5 V的情况下，估计0.6 A电流流经二极管桥。每个二极管的正向电压为0.7 V，每个二极管的功率损耗为420 mW。对于90 W系统，现在的电流为3.7 A，每个二极管的功率损耗为2.59W。

MOSFET方法比常规二极管桥改善了导通损耗和能效。安森美半导体的第一代GreenBridge系列集成双P沟道和双N沟道MOSFET（FDMQ8203）系列提供紧凑且热增强的表面贴装封装，可以很好地解决此问题。导通损耗与MOSFET的RDS（ON）值有关。对于25 W系统，在N沟道和P沟道MOSFET的RDS（ON）分别为110mΩ和190mΩ的情况下，计算出耗散功率为115 mW。这是二极管电桥功耗的四分之一。在90W的示例中，3.7 A的导通损耗为354 mW，低至二极管方案的13％。这节省看似相对较小，但是在使用数百个PoE传感器的楼宇管理系统中，这差异可能是显著的。

第二代Quad MOSFET方案（FDMQ8025A）提供更高的额定功率、高能效的桥式整流器以及必要的门极驱动器，采用与第一代相同的小MPL 4.5 x 5mm封装，，和小得多的RDS（ON），N沟道MOSFET仅35mΩ，P沟道MOSFET仅76mΩ。

Power Current Path：电源电流路径

Gate Current Path：门极电流路径

图5：GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案

安森美半导体还提供PoE-PD接口控制器，任何设备都可成为兼容802.3af / at和-3bt的受电设备。NCP1095和NCP1096接口控制器含在PoE系统中运行所需的所有功能，如浪涌阶段的检测、分类、自动分类和电流限制。两个控制器采用内部/外部传输晶体管，支持高达90 W的功率。它们还指示何时可以实施简短的维持电源特征。附加的辅助电源检测支持由PoE或墙式适配器供电。

NCP1095GEVB和NCP1096GEVB评估板使设计工程师可以快速评估两个控制器的运行，然后实施有助于设计过程的物理设计。它们包括GreenBridge2有源桥、RJ45连接器和局域网(LAN)变压器。

图6：NCP1095GEVB / NCP1096GEVB评估板

总结

最新批准的IEEE 802.3bt以太网供电标准为更多耗电设备打开了市场，为性能更高的应用开启了大门。功耗的增加带来了新的挑战，可以采用安森美半导体的精妙的PoE-PD方案来解决，该方案集成GreenBridge有源桥Quad MOSFET和易于实施的PoE-PD控制器。这些降低了新产品的风险并缩短了上市时间，使以太网供电成为物联网领域的重要市场竞争因素。