引言

以太网供电 (PoE) 技术日益流行和成熟,供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD) 开发人员热切盼望追随下一波 IEEE 潮流,开始通过以太网电缆提供更大功率,也就不足为奇了。不过,与很多行业标准一样,IEEE PoE 标准的最终确定常常远滞后于市场所需。IEEE PoE任务组的最新时间表显示,71W 802.3bt 标准要到 2018 年初才能准备就绪。从技术角度而言,等待这么长时间意味着很容易错过商机或市场机会。那么,在这种情况下,PSE 和 PD 开发人员应该怎么办?无需多说,当然是现在就开始设计和制造设备!想让产品率先进入 802.3bt 市场的开发人员目前可以使用凌力尔特公司的 LT 4295 IEEE 802.3bt PD 控制器,该控制器符合标准草案 2.0 版要求。

功率越大,潜力越大

不出所料,IEEE PoE 任务组和开发人员的关注点一直在于最终能为 PD 提供多大的功率。2003 年,IEEE PoE 任务组在最初的 IEEE 802.3af PoE 标准中规定向 PD 输入端的 RJ-45 插座提供约 13W 功率。此后,市场不断要求更大功率。因此在 2009 年,IEEE PoE 任务组修订了标准,发布了 IEEE 802.3at (也称为 PoE+),将最大 PD 功率水平提高到 25.5W。到今天,人们预计,目前正在制订中的修订版 IEEE 802.3bt 草案标准 2.0 (也称为 PoE++ 或 4PPoE),将为 PD 提供高达 71W 的功率。

有了更大的功率,开发人员就可以非常容易地增加更多功能并升级已有产品。以安防摄像头为例,这种应用一直随着 PoE 标准的修订而不断改进。当只有 13W 功率可用时,最初的 PoE 供电安防摄像头仅是简单的固定装置。然而,当 802.3at 分配了 25.5W 功率以后,就有了更大的功率来驱动多种嵌入式电动机,从而使安防摄像头可以提供上下、左右移动和变焦功能。现在,由于可以利用 802.3bt 的 71W 功率,所以具备上下、左右移动和变焦功能的安防摄像头还可以集成风扇和加热组件,以便在极端温度下能够正常运行。某些情况下,更高的 PoE 功率水平可能助力打开全新的市场。例如,传统 LED 照明设备制造商可能只生产安装在天花板上、用墙壁开关进行控制的照明灯,但是现在它们可以生产支持 PoE 的产品,这将为智能家居或智能建筑创造机会。无论更大的功率是否促进了最终产品的改进或彻底改变,显而易见的是,PoE 标准的每一次修订都带来了更大的市场潜力。

对 PSE-PD 链路的改变

您也许已经猜到,4PPoE 代表“4 线对 PoE”,因为 802.3bt 规范利用以太网电缆中的所有 4 根双绞线来实现长达 100m 的功率传输;在较旧的 PoE 标准中,4 线对功率输送是不兼容的。图 1 示出了 IEEE 802.3bt PSE-PD 链路的典型方框图。电缆布线要求仍悬而未决,电缆布线委员会和制造商猜测:802.3bt 将要求至少采用 Category 5E 电缆,旨在支持增加的功率水平并以 10GBASE-T (10Gbit/s 以太网数据速率) 运作。在任何场合中,由于我们正逼近以太网电缆的电流处理极限,因此可能需要留意先前被忽视的电缆布线系统性能特征。

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图 1:IEEE 802.3bt PSE-PD 链路的典型方框图

802.3bt 引入了两种新型 PD 拓扑:单特征(single-signature)和双特征(dual-signature)。单特征 PD 是在两个线对 (pairset) 之间共用相同的检测特征、分级特征和维持功率特征 (MPS) 的 802.3bt PD,双特征 PD 则是在两个线对之间具有独立特征的 802.3bt PD。毫无疑问,新的 802.3bt 设计将趋向于采用较为简单和更具成本效益的单特征拓扑,该拓扑仅需要单个 PD 接口。双特征 PD 需要两个并行 PD 接口 (每个线对各用一个),来自两个 PSE 的功率在每个 PD 接口之后相加。例如,双特征拓扑实质上采用两个 25.5W PD 以构成单个 51W PD,这是一种成本有可能高达单特征 51W PD两倍的复杂解决方案。

802.3bt 检测过程已被扩展到不仅能够辨别所连接的 PD 是符合 802.3 标准的 PD,还可确定连接的是单特征 PD 还是双特征 PD。同样,“连接检查”(Connection Check) 扩展了检测功能可确定单特征或双特征 PD 配置。

802.3bt 规范引入了四种新的高功率 PD 等级 (Class),使单特征等级的总数达到 9 个,如表 1 所示。等级5~8 对于 PoE 标准而言是新的,并转化为 40.0W 至 71.0W 的 PD 功率水平。PSE 仍然可选择使用物理层 (即:用于 71W 的 5-事件分级) 或数据链路层 (即:链路层发现协议,LLDP) 进行 PD 的分级,而且 PD 依然需要支持两种分级方案才能符合标准。另外,802.3bt 还可以实现一种可选择的物理层分级的扩展 (称为 “Autoclass”),在此扩展中一个 802.3bt PSE 测量一个连接 PD 的实际最大吸取功率。举个例子,这种便利的功率管理功能允许 PSE 把剩余的功率分配给附加的灯泡 (如果它知道某个特定灯泡所吸取的功率低于其分级功率)。

表 1:IEEE 802.3bt PD 等级和功率水平

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对于那些需要 PD 处于深度睡眠模式的用户,他们将很高兴地发现:802.3bt 规范提出了维持功率特征 (MPS) 的低功率版本,称为“低 MPS”。根据旧的 PoE 标准,PD 必须以 32% 的占空比“灌入”一个小的 DC 电流,旨在告知 PSE 将 PD 保持在接通状态。然而,这种相对较高的占空比在某些应用中会迅速成为一项负担,如当您考虑新的“高效节能型”建筑标准时。目前,802.3bt PD 仅需以 ~2% 的占空比维持一个小的 DC 电流,因而大幅减小了待机电流。

表 2 汇总了 802.3bt PD 的类型 (Type) 和特性。您或许已经熟悉了 类型 1 和类型 2 PD,它们分别由 802.3af 和 802.3at 规范提出,并且通常映射到一种或多种独特的等级 (功率水平)。然而,802.3bt 的新的 类型3 和 类型4 PD 就不是那么简单了。正如可从“PD 等级”栏看到的那样,除了 等级 0 之外,类型 3 PD 涵盖和扩展了 类型 1 和 类型 2 PD 中的等级。相似地,等级 5 被 类型 3 单特征和 类型4 双特征 PD 所采用。此外,从图 2 可知,一个 等级 5 单特征 PD 仅被分配了 40W,而一个等级 5 双特征 PD 则被分配了 2 x 35.5W;双特征 PD 中情况更加糟糕,因为每个线对独立地工作,每个线对有可能处于不同的等级,例如:第一个线对上的 等级1 (3.84W) 和第二个线对上的 等级2 (6.49W) 形成了一个双特征 等级 1.2 (10.3W) PD。随着双特征 PD 的所有此类等级重叠和非标准功率水平的激增,开发人员和用户不再把 PD 类型与 PD 等级等同起来,也不再把 PD 等级与 PD 功率水平等同起来变得十分重要。作为替代,明确地识别 PD 的特征拓扑和等级,并谨慎地检查 PD “类型” 的真实含义对每个人都将是最有益的。

表 2:IEEE 802.3bt PD 类型和特性概要

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不言而喻,802.3bt 可向后兼容 802.3at 和 802.3af。一个较低功率的 802.3at 或 802.3af PD 连接至一个较高功率的 802.3bt PSE不会有任何问题。当情况反过来的时候,即一个较高功率的 802.3bt PD 连接至一个较低功率的 802.3at 或 802.3af PSE,PD 只需能够工作在各自的较低功率状态即可,这被称为“降级”。如果 PD 忽略降级并工作在其最高功率状态,则高耗电的 PD 将导致 PSE 反复接通,达到其电流限值,然后关断。这实际上使 PSE 产生低频寄生振荡。因此,“降级”是 802.3at 和 802.3af 规范要求的,遗憾的是在许多实施方案中被忽视了。

尽可能使用所有可用功率

高功率 PD 设计中最重要的考虑因素通常是成本和效率,这很大程度是由用于实现 PD 接口的 IC 决定的。此外,开发人员在完成空间受限的设计时痛苦地意识到,限制 PD 的尺寸只会成为更大的挑战,因为较高的功率水平需要使用较大的分立组件和较大的散热器。为此,凌力尔特提供了三款特别设计的 IC,用于最大程度实现 802.3bt PD的性能,更为更要的是,简化工程师的工作。图 2 示出了具有一个辅助输入的高效率单特征 802.3bt PD 接口的简化方框图。该解决方案拥有高于 94% 的端到端 (RJ-45 输入至 PD 负载) 效率,并可在 40°C 至 125°C 的温度范围内工作。

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图 2:具辅助输入的高效率 IEEE 802.3bt 单特征 PD 接口的简化方框图

图 2 中 RJ-45 接口上的 LT4321 是一款理想的二极管桥控制器,可取代两个二极管桥式整流器 (图 1)。LT4321 采用低功耗 N 沟道 MOSFET 桥以同时增加 PD 的可用功率并减少散热。802.3bt 规范要求 PD 在其以太网输入端上能够接受任何极性的 DC 电源电压,这样 LT4321 可对来自数据线对和空闲线对的电源进行平滑的整流并将其整合为极性正确的单个电源输出。由于电源效率提高实际上免除了散热要求,所以总体电路尺寸和成本得以降低。功率可降低 10 倍或更多,从而使 PD 能够保持在分级功率预算之内,或者使 PD 能够增加功能。

图 2 中位于理想二极管桥控制器之后的是 PD 接口的 “大脑中枢” LT4295,这是一款符合 802.3bt 标准的 PD 接口控制器,集成了一个高效率正激式或无光耦合反激式控制器。LT4295 利用一个集成型 25kΩ 特征电阻、高达 5-事件分级检测和一种单特征拓扑支持所有 9 种 PD 等级级和所有 4 种 PD 类型。除了提供更多的 PD 功率, LT4295之所于 优于传统 的PD 控制器,还在于采用了一个外部功率 MOSFET 来大幅度降低总体 PD 散热并实现电源效率最大化,这对具有更高功率水平的802.3bt来说更为重要。这种新颖的方法使用户能够按照应用的具体散热和效率要求来选择 MOSFET 尺寸,因而可使用导通电阻低至 30mΩ 的 MOSFET。

如果 802.3bt 的 71.0W 让您渴望获得更多的功率,则可寻求凌力尔特 LTPoE++ PSE 和 PD 控制器系列的帮助,这些器件能提供高达 90W 的功率水平。LTPoE++ 规范采用了一种与 802.3bt 规范相似的分级方案,使 LTPoE++ PSE 控制器能够与 LTPoE++ PD 控制器可靠地通信,同时保持与 802.3at 和 802.3af 设备的互操作性。只需一根电缆,就能实现 LTPoE++ PD 在 LTPoE++ PSE 上的“即插即用”,所有的信号交换均利用硬件自动地处理,无需软件!

PD不仅可以由PoE 供电,还可选择由一个电源适配器供电,对于那些使用必需能支持一个辅助电源的 802.3bt PD的用户,示于图 2 顶部的 LT4320 是一款 9V 至 72V的 理想二极管桥控制器,其采用低损耗 N 沟道 MOSFET 替代了全波桥式整流器中的全部 4 个二极管,以显著降低功率耗散并增加可用电压。电源效率的提升免除了笨重和昂贵的散热器,因此可缩减电源和墙上变压器的尺寸。另外,消除热运行二极管桥中固有的两个完整二极管压降 (~1.2V,在 12V 时为 10%) 提供了额外的裕度,增加了应用的储备空间,低电压应用亦能从中获益。

结论

虽然 IEEE 802.3bt 距离最后敲定还有很长时间,但是这个标准的主要方面确定下来,开发人员可以信心十足地为这个市场开发产品。802.3bt 规范的 PD 类型、拓扑和分级支持较高的功率水平 (达 71.0W),而新的 MPS 特征则在 PD 处于睡眠状态时支持较低的待机功率。作为 PoE 技术的先驱和 IEEE 任务组的积极成员,凌力尔特凭借发布的 802.3bt 以及 LTPoE++ PD 和 PSE 控制器而持续身处 PoE 技术最前沿。是否在自己的产品中利用这些可简化设计、最大限度提高电源效率、缩减产品尺寸和降低总体 BOM 成本的 IC,并率先成为 802.3bt 市场的供应商,取决于开发人员自己。

作者:Christopher Gobok , 凌力尔特公司高级产品市场工程师

《电子技术设计》2016年11月刊版权所有,谢绝转载。

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