引言
乙太網供電 技術日益流行和成熟, 因此供電設備 (PSE) 和受電設備 (PD) 開發人員熱切盼望追隨下一波 IEEE 潮流, 開始通過乙太網電纜提供更大功率, 也就不足為奇了. 不過, 就像很多行業標準一樣, IEEE PoE 標準的最終確定常常遠遠滯後於市場所需. IEEE PoE 特別小組的最新時間表顯示, 71W 802.3bt 標準直到 2018 年初都不會準備就緒. 從技術角度而言, 這樣的等待時間太長了, 等待這麼久意味著很容易錯過商機或市場機會. 那麼, 在這種情況下, PSE 和 PD 開發人員應該怎麼辦? 沒什麼可說的, 當然是現在就開始設計和製造設備! 想讓產品率先進入 802.3bt 市場的開發人員今天有ADI公司的 LT4295 IEEE 802.3bt PD 控制器可用, 該控制器符合標準草案 2.0 版要求.
功率越大, 潛力越大
不出所料, IEEE PoE 特別小組和開發人員的關注點一直落在最終為 PD 提供多大功率上. 2003 年, IEEE PoE 特別小組在最初的 IEEE 802.3af PoE 標準中規定, 向 PD 輸入端的 RJ-45 插座提供約 13W 功率. 此後, 市場不斷要求更大功率. 因此在 2009 年, IEEE PoE 特別小組修訂了標準, 發布了 IEEE 802.3at (也稱為 PoE+), 將最大 PD 功率級提高到 25.5W. 到今天, 人們預計, 目前正在制訂中的修訂版 IEEE 802.3bt 草案標準 2.0 (也稱為 PoE++ 或 4PPoE), 將為 PD 提供高達 71W 功率.
有了更大的功率, 開發人員就可以非常容易地增加更多功能並升級已有產品. 以安防攝像頭為例, 這種應用一直隨著 PoE 標準的修訂而不斷演變. 在僅有 13W 功率可用時, 最初的 PoE 供電安防攝像頭僅是簡單的靜止系統. 然而, 當 802.3at 分配了 25.5W 功率以後, 就有了更大功率來驅動多種嵌入式電動機, 從而使安防攝像頭可以提供上下, 左右移動和變焦功能. 現在, 由於可以利用 802.3bt 的 71W 功率, 所以具備上下, 左右移動和變焦功能的安防攝像頭還可以整合風扇和加熱組件, 以支援在極端溫度下運行. 在有些情況下, 更高的 PoE 功率級有可能助力開啟全新市場. 例如, 傳統 LED 照明設備製造商可能只生產安裝在天花板上, 用牆上開關控制的照明燈, 但是現在, 它們可以生產支援 PoE 的產品, 這將有助於為智能家居或智能建築創造機會. 無論更大的功率是否促進了最終產品的演變或徹底改變, 很顯然的是, PoE 標準的每一次修訂都帶來了更大的市場潛力.
對 PSE-PD 鏈路的改變
正如您也許已經猜到的那樣: 4PPoE 代表 '4 線對 PoE' , 因為 802.3bt 規範利用乙太網電纜中的所有 4 根雙絞線以實現長達 100m 的功率傳輸; 在較舊的 PoE 標準中, 4 線對功率輸送是不相容的. 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和製造商正在猜測: 802.3bt 將要求至少採用 Category 5E 電纜, 旨在支援增加的功率水平並以 10GBASE-T (10Gbit/s 乙太網數據速率) 運作. 在任何場合中, 由於我們現今逐步達到乙太網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性能特徵.
802.3bt PSE CONTROLLER: 802.3bt PSE 控制器DATA PAIR: 數據傳送線對SPARE PAIR: 備用線對802.3bt PD CONTROLLER: 802.3bt PD 控制器DC/DC CONVERTER: DC/DC 轉換器
802.3bt 引入了兩種新型 PD 拓撲: 單特徵和雙特徵. 單特徵 PD 是在兩個線對 (pairset) 之間共用相同的檢測特徵, 分級特徵和維持功率特徵 (MPS) 的 802.3bt PD, 而雙特徵 PD 則是在兩個線對之間具有獨立特徵的 802.3bt PD. 毫無疑問, 新的 802.3bt 設計將趨向於採用較為簡單和更具成本效益的單特徵拓撲, 該拓撲僅需要單個 PD 介面. 雙特徵 PD 需要兩個並行 PD 介面 (每個線對各用一個), 來自兩個 PSE 的功率在每個 PD 介面之後相加. 例如, 雙特徵拓撲實質上採用兩個 25.5W PD 以構成單個 51W PD, 這是一種成本有可能高達單特徵 51W PD 之兩倍的複雜解決方案.
802.3bt 檢測過程已被擴展到不僅能夠辨別所連接的 PD 是符合 802.3 標準的 PD, 而且還可確定連接的是單特徵 PD 還是雙特徵 PD. 正因為如此, 檢測功能如今利用 '連接檢查' (Connection Check) 進行了擴充, 以確定單特徵或雙特徵 PD 配置.
802.3bt 規範引入了四種新的高功率 PD 分級 (Class), 從而使單特徵類別的總數達到 9 個, 如表 1 所示. Class 5~8 對於 PoE 標準而言是新的, 並轉化為 40.0W 至 71.0W 的 PD 功率水平. PSE 仍然可選擇使用物理層 (即: 用於 71W 的 5 事件分級) 或數據鏈路層 (即: 鏈路層發現協議, LLDP) 進行 PD 的分級, 而且 PD 依然必需能夠支援兩種分級方案以與標準相符. 另外, 802.3bt 還可以實現物理層分級的一種任選擴展 (稱為 'Autoclass' ), 在此擴展中一個 802.3bt PSE 測量一個連接 PD 的實際最大吸取功率. 舉個例子, 這種便利的功率管理功能允許 PSE 把剩餘的功率分配給附加的燈泡 (如果它知道某個特定燈泡所吸取的功率低於其分級功率).
表 1: IEEE 802.3bt PD 分級和功率水平
對於那些需要 PD 在深度睡眠模式之用戶, 他們將很高興地發現: 802.3bt 規範提出了維持功率特徵 (MPS) 的一種較低功率版本, 被稱為 '低 MPS' . 根據較舊的 PoE 標準, PD 必須以 32% 的占空比吸收一個小的 DC 電流, 旨在告知 PSE 把 PD 保持在接通狀態. 然而, 這種相對較高的占空比在某些應用中會迅速成為一項負擔, 比如: 當您考慮新的 '高效節能型' 建築標準時. 目前, 802.3bt PD 僅需以 ~2% 的占空比維持一個小的 DC 電流, 因而大幅度地減小了待機電流.
表 2 匯總了 802.3bt PD 的類型 (Type) 和特性. 您或許已經熟悉了 Type 1 和Type 2 PD, 它們分別由 802.3af 和 802.3at 規範提出, 並且通常映射到一種或多種獨特的分級 (功率水平). 然而, 802.3bt 的新型 Type 3 和 Type 4 PD 就不是那麼簡單了. 正如可從 'PD 分級' 欄看到的那樣, 除了 Class 0 之外, Type 3 PD 涵蓋和擴展了 Type 1 和 Type 2 PD 中的分級. 相似地, Class 5 被 Type 3 單特徵和 Type 4 雙特徵 PD 所採用. 此外, 從圖 2 可知, 一個 Class 5 單特徵 PD 僅被分配了 40W, 而一個 Class 5 雙特徵 PD 則被分配了 2 x 35.5W; 在雙特徵 PD 中會使情況更加糟糕, 因為每個線對獨立地工作, 每個線對有可能處於不同的分級, 例如: 第一個線對上的 Class 1 (3.84W) 和第二個線對上的 Class 2 (6.49W) 形成了一個雙特徵 Class 1.2 (10.3W) PD. 隨著雙特徵 PD 的所有此類分級重疊和非標準功率水平的激增, 重要的是開發人員和用戶等不再把 PD 類型與 PD 分級等同起來, 也不再把 PD 分級與 PD 功率水平視為同義. 作為替代, 明確地識別 PD 的特徵拓撲和分級, 並謹慎地檢查 PD '類型' 的真實含義對每個人都將是最有益的.
表 2: IEEE 802.3bt PD 類型和特性概要
不言而喻, 802.3bt 可向後相容 802.3at 和 802.3af. 一個較低功率 802.3at 或 802.3af PD 可連接至一個較高功率 802.3bt PSE, 這不會有任何問題. 而且, 當情況反過來的時候, 即一個較高功率 802.3bt PD 連接至一個較低功率 802.3at 或 802.3af PSE, PD 只需能夠工作在各自的較低功率狀態即可, 這被稱為 '降級' . 如果 PD 忽略降級並工作在其最高功率狀態, 則高耗電的 PD 將導致 PSE 反覆地接通, 達到其電流限值, 然後關斷. 這實際上使 PSE 產生低頻寄生振蕩. 因此, '降級' 是 802.3at 和 802.3af 規範所要求的, 但遺憾的是在許多實施方案中被忽視了.
儘可能地使用所有的可用功率
高功率 PD 設計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於實現 PD 介面之 IC 的影響. 此外, 從事空間受限型設計的開發人員還痛苦地意識到怎樣限制 PD 的尺寸只會成為更大的挑戰, 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提供了三款專為實現 802.3bt PD 性能之最大化, 也許更重要的是可簡化工作任務而特別設計的 IC. 圖 2 示出了具有一個輔助輸入的高效率單特徵 802.3bt PD 介面的簡化方框圖. 該解決方案擁有高於 94% 的端到端 (RJ-45 輸入至 PD 負載) 效率, 並可在 −40°C 至 125°C 的溫度範圍內工作.
AUX INPUT: 輔助輸入DC TO 600Hz: DC 至 600HzDATA PAIRS: 數據線對SPARE PAIRS: 備用線對
IDEAL DIODE BRIDGE CONTROLLER: 理想二極體橋式控制器MAXIMIZES POWER EFFICIENCY: 最大限度提高電源效率REDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS: 減少熱量, 消除熱量設計問題DC TO 600Hz: DC 至 600Hz9V TO 72V OPERATING VOLTAGE RANGE: 9V 至 72V 工作電壓範圍IQ = 1.5mA (TYPICAL): IQ = 1.5mA (典型值)FORWARD OR FLYBACK DISCRETES: 正向或反激式分立電路
PD FORWARD/FLYBACK CONTROLLER: PD 正向 / 反激式控制器IEEE 802.3bt COMPLIANT: IEEE 802.3bt 相容HIGH EFFICIENCY FORWARD OR NO-OPTO FLYBACK OPERATION: 高效率正向或無光耦合反激式運行SUPERIOR SURGE PROTECTION (100V): 出色的浪湧保護 (100V)WIDE JUNCTION TEMPERATURE RANGE (-40°C TO 125°C): 寬的結溫範圍 (−40°C 至 125°C)
PoE DIODE BRIDGE CONTROLLER: PoE 二極體橋式控制器MAZIMIZED POWER EFFICEINCY: 最大限度提高電源效率REDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS: 減少熱量, 消除熱量設計問題LESS THAN 800uA QUIESCENT OPERATING CURRENT: 低於 800uA 靜態工作電流FULLY COMPATIBLE WITH IEEE 802.3 DETECTION AND CLASSIFICATION: 與 IEEE 802.3 檢測與分級完全相容
示於圖 2 中 RJ-45 介面上的 LT4321 是一款理想二極體橋控制器, 其可取代兩個二極體橋式整流器 (圖 1). LT4321 採用低功耗 N 溝道 MOSFET 橋以同時增加 PD 的可用功率並減少散熱量. 802.3bt 規範要求 PD 在其乙太網輸入端上能夠接受任何極性的 DC 電源電壓, 這樣 LT4321 可對來自數據線對和空閑線對的電源進行平滑的整流並將其整合為極性正確的單個電源輸出. 由於電源效率提高實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 能夠保持在分級功率預算之內, 或者使 PD 能夠增加功能.
在圖 2 中位於理想二極體橋控制器之後的是 PD 介面的 '大腦中樞' LT4295, 其為一款符合 802.3bt 標準的 PD 介面控制器, 整合了一個高效率正激式或無光耦合反激式控制器. LT4295 利用一個整合型 25kΩ 特徵電阻, 高達 5 事件分級檢測和一種單特徵拓撲支援所有 9 種 PD 分級和所有 4 種 PD 類型. 除了提供更多的 PD 功率之外, 使 LT4295 優於傳統 PD 控制器的因素是其採用一個外部功率 MOSFET 以大幅度地降低總體 PD 散熱量並實現電源效率的最大化, 由於 802.3bt 的功率水平更高, 因此這一點再次變得更為重要. 這種新穎方法使用戶能夠按照應用的具體散熱和效率要求選擇 MOSFET 尺寸, 從而允許選用導通電阻低至 30mΩ 的 MOSFET.
如果 802.3bt 的 71.0W 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 90W 的功率水平. LTPoE++ 規範採用了一種與 802.3bt 規範相似的分級方案, 可使 LTPoE++ PSE 控制器與 LTPoE++ PD 控制器可靠地相互通信, 同時保持與 802.3at 和 802.3af 設備的互操作性. 只需一根電纜, 就能實現 LTPoE++ PD 在 LTPoE++ PSE 上的 '即插即用' , 所有的訊號交換均利用硬體自動地處理, 無需軟體! .
最後, 對於那些具有必需能支援一個輔助電源的 802.3bt PD (除了 PoE 以外, PD 還可選擇由一個電源適配器供電) 的用戶, 示於圖 2 頂部的 LT4320 是一款 9V 至 72V 理想二極體橋控制器, 其採用低損耗 N 溝道 MOSFET 替代了全波橋式整流器中的全部 4 個二極體, 以顯著地降低功率耗散並增加可用電壓. 由於電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器, 因此可縮減電源和牆上變壓器的尺寸. 另外, 通過幾乎消除熱運行二極體橋中固有的兩個完整二極體壓降 (~1.2V, 在 12V 時為 10%) 提供了額外的裕度 (從而增加了應用的儲備空間), 低電壓應用亦能從中獲益.
結論
雖然 IEEE 802.3bt 距離最後敲定還有很長時間, 但是隨著這個標準的主要方面開始塵埃落定, 開發人員現在就可以信心十足地為這個市場開發產品. 802.3bt 規範的 PD 類型, 拓撲和分級支援較高的功率水平 (達 71.0W), 而新的 MPS 特徵則在 PD 處於睡眠狀態時支援較低的待機功率. 作為 PoE 技術的先驅和 IEEE 特別小組的積極成員, ADI憑藉發布的 802.3bt 以及 LTPoE++ PD 和 PSE 控制器而持續地身處 PoE 技術的最前沿. 是否利用這些可簡化設計, 最大限度提高電源效率, 盡量縮減尺寸和降低總體 BOM 成本的 IC, 並率先成為 802.3bt 市場的供應商, 這由像您自己一樣精明博學的開發人員決定.