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以太网有线通信供电系统支持PoE 控制器连接吗?

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。

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。

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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。

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。

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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。

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图 2:模式 A 和模式 B PoE 功率传输

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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 2×6.05W。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。

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Diode Bridge:二极管

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。

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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

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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。
       责任编辑:pj

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