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乙太網路供電之採用隨供電力擴增
[作者 Mark Patrick]   2021年08月11日 星期三 瀏覽人次: [1660]

乙太網路協定IEEE 802.3正在從傳統IT領域不斷擴展到新興應用和市場。當下,鑒於時間敏感網路(TSN)等標準加強,乙太網路已部署在零售銷售點設備、安全監控攝影鏡頭以及工業等行業。乙太網路還在自動駕駛汽車等核心應用中成為必不可少之快速、可靠和安全網路,從而在汽車應用中嶄露頭角。


多年來,乙太網路大多數參數改進都集中在提高資料傳輸速率上,但是,2003年批准的802.3af引入乙太網路供電(PoE)技術,即能夠透過乙太網路電纜傳輸功率。


為何需要PoE?

對於VoIP、安全攝影鏡頭和樓宇自動化等許多應用,由於乙太網路成為這些新應用之首選網路介面,透過單一電纜同時傳輸資料和功率既節省成本,又非常便捷,因而變得非常有吸引力。PoE能夠使交換機和無線接入點等網路基礎設施部署更加簡捷,不再需要為每個網路設備進行耗時且昂貴之交流電源插座安裝, PoE還可在斷電時為一些基本基礎設施設備提供緊急電源。


PoE支援設備部署正在不斷擴展到零售、製造、安全和存取控制等市場,而且這會反過來給PoE標準組織施加壓力,驅動他們尋求提高功率傳輸能力新技術。


LPoE標準演化

PoE的基本概念涉及使用供電設備(PSE)向受電設備(PD)供電。當今部署大多數網路基礎設施設備都具有PSE功能或在訂購時可以選擇。端跨(endspan)PD具有內建電路,可從從乙太網路插槽中汲取功率來進行操作。對於未配備支援PoE交換機之現有和傳統乙太網路基礎基礎設施,中跨(midspan)PoE注入器可為端跨供電。同樣,在受電端處,PoE分離器用於分離電源和資料訊號,並可為未配備PoE之受電設備提供穩定直流電壓。


最初PoE標準802.3af於2003年發佈,使用Cat5乙太網路電纜中四對雙絞線中之兩對(圖1)。



圖1 : 使用兩對雙絞線之802.3af相容PoE實現。
圖1 : 使用兩對雙絞線之802.3af相容PoE實現。

PoE標準允許線路損耗,並規定負載電壓範圍為37~57V。基於在37V下提供最大350mA電流,功率容量為12.95W。



圖2 : PoE標準,其中顯示類型和類別。
圖2 : PoE標準,其中顯示類型和類別。

隨著對更高功率需求不斷增長,新標準陸續發佈,使Class 8設備功率容量達到90W。在802.3bt標準(也稱為PoE +)下,Class 5 和Type 3以上設備使用所有四對電纜傳輸功率。PSE提供的電壓因設備類型而異,對於Type 4設備,電壓範圍為52~57V,最大額定電流為960mA。


從早期開始,PoE就已經廣泛用於安全攝影鏡頭,其13W受電設備功能足以為大多數簡單攝影鏡頭供電。但是,在能夠實施遠端搖攝、俯仰和變焦IP攝影鏡頭問世之後,這些設備需要更高功率預算。802.3bt標準推出標誌著從使用兩對電纜轉變為使用四對電纜。而由於PoE供電能力增強,已經迅速為更多應用打開了大門,其中之一是樓宇自動化系統,它可以管理現代化辦公室供暖、通風、照明和存取控制等。現在可以透過PoE來管理LED燈串及其相關控制設備。


透過引入四對配置,802.3bt標準可提供一種在單個受電設備中具有兩個獨立電源軌機制。這種方法允許創建不同電壓軌,例如+3.3 VDC和+5 VDC,或+/-2V電源。圖3所示為供電兩種方法:單簽名和雙簽名。



圖3 : 使用單簽名或雙簽名PoE供電架構。
圖3 : 使用單簽名或雙簽名PoE供電架構。

由於越來越多聯網設備開始應用PoE,尤其是消費性和商用設備,乙太網路聯盟認為PoE認證計畫將能夠提供一種快速簡便方法,可以輕鬆識別能夠交互操作產品。目前正在就兩對電纜應用進行Class 4及以下級別認證(稱為EA1),並於2020年末開始引入最高Class 8(EA2)認證。對正式認證架構是否相容會嚴重影響任何技術的購買決定,因此,符合PoE認證計畫可能會成為所有新產品行銷規範之重要層面。工程團隊將需要熟知認證要求和測試方法,並在開發週期中花足夠時間來充分準備測試。新罕布夏大學(The University of New Hampshire)是乙太網路聯盟授權PoE認證唯一測試機構。


在設計中實施PoE

在終端節點設備中實現PoE功能需要分離出從PSE接收到的功率,實現乙太網路控制功能和功率轉換。許多製造商將這些功能整合到單個PoE IC。


Silicon Labs Si34071是一種空間節省解決方案,可將外部零元件數量降至最低。Si34071完全相符Class 8 802.3bt標準,並整合高效峰值電流模式DC/DC轉換器,能夠提供可配置開關頻率,所有這些功能都在一個薄型5 x 5mm QFN封裝內實現。Si34071還提供有一個UART介面,用於連接到主機MCU。圖4展示Si34071功能方框圖,圖5則突出顯示Si34071AC5V8KIT PoE評估板中Si34071如何使用。



圖4 : Silicon Labs Si34071 PoE IC功能方框圖。
圖4 : Silicon Labs Si34071 PoE IC功能方框圖。

圖5 : 採用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT評估板之受電設備PD Class 8、71W介面簡化方框圖。
圖5 : 採用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT評估板之受電設備PD Class 8、71W介面簡化方框圖。

Si34071AC5V8KIT評估板可提供單簽名5V/14A輸出,隔離式正向拓撲DC/DC轉換器操作效率優於91%。此設計具有自動分類開關(Class switching),暫態和過壓保護等功能。


對於開發PSE端設計,Silicon Labs Si3474 PSE IC提供四個90W 802.3bt相容PoE埠或最多八個30W 802.3at/af PoE埠。


Microchip可針對PoE應用原型提供全面PSE和PD IC以及開發套件。 Microchip PD69208T4完全符合802.3af、at和bt標準,支援多達8個2對或4對4型PD要求埠,最大輸出功率為95W,是與PD69210控制器配合使用的PoE電源管理IC。這些PSE IC適合PoE交換機、路由器和中跨設備等應用,它們還適用於各種工業自動化設備和LED照明控制器。


Microchip還提供完整中跨PoE注入器單元,其中一款是PD9501GCO,該單埠中跨單元專為室外應用而設計,防護等級為IP67,向後相容802.3at和802.3af標準,是安全攝影鏡頭和無線局域網路接入點等外部應用理想之選。


STMicroelectronics可提供一系列PoE-PD設備。 PM8805是符合IEEE 802.3bt單簽名標準之PoE PD介面,具有整合式雙主動橋式MOSFETS配置,因為它們正向電壓損耗較低,因而可替代二極體。


結論

乙太網路供電已從剛剛開始相對較低功率發展成為適於多種應用之電源選擇方案,可理想用於包括安全攝影鏡頭和樓宇自動化系統在內多種應用。功率容量在演化到90W時將能夠極大擴展應用範圍,並將有助於將乙太網路部署加速擴展到更多市場領域。


(本文作者Mark Patrick任職於貿澤電子)


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