不過(guò)，以太網(wǎng)想要延伸到更多的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在”的目標(biāo)，有個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題必須解決，那就是聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電。與電池供電設(shè)備相比，通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備通常所需功率都較高，它們?nèi)绻纪ㄟ^(guò)110V/220V交流市電去取電，僅電源系統(tǒng)布線的成本就不是一個(gè)小數(shù)目。

 

隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，人們自然而然的會(huì)考慮是否可以利用以太網(wǎng)現(xiàn)有的空閑線路或信號(hào)線路去為終端接入設(shè)備供電？這樣一來(lái)，以太網(wǎng)在進(jìn)行高速信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還能提供直流電源，用戶只需將設(shè)備通過(guò)RJ-45接口接入以太網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)兩用”。這個(gè)概念就是以太網(wǎng)供電（PoE，Power over Ethernet）。

 

PoE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)化史

 

PoE的想法固然好，但是想要成為一個(gè)可以大面積商用的技術(shù)，特別是要解決不同設(shè)備間兼容性的問(wèn)題，就必須有標(biāo)準(zhǔn)的加持。IEEE 802.3就是這個(gè)定義了PoE各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，它明確定義了PoE供電設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備（PD）的特性和交互關(guān)系。在過(guò)去的十多年間，IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)歷經(jīng)的三個(gè)版本的更迭，而貫穿其發(fā)展的一條主線，就是“不斷提升的供電功率”。

 

802. 3af（PoE）

 

第一代PoE的標(biāo)準(zhǔn)是2003年發(fā)布的IEEE 802. 3af，基于這一版標(biāo)準(zhǔn)，位于路由器、交換機(jī)和集線器的PSE設(shè)備可以通過(guò)以太網(wǎng)電纜向IP電話等PD設(shè)備提供不超過(guò)15W的直流功率。

 

802.3at（PoE+）

 

而隨著以太網(wǎng)接入設(shè)備的多樣化，15W的功率很快就遇到了“天花板”，這也就催生了第二代的PoE標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3at。這個(gè)2009年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以通過(guò)CAT-5或更高級(jí)別線纜提供最大約30W的功率，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也被大家簡(jiǎn)稱為PoE+。

 

802.3bt（PoE++）

 

在不斷發(fā)展的市場(chǎng)需求推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)近十年的醞釀，2018年9月第三版的PoE標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3bt獲得批準(zhǔn)。由于在以太網(wǎng)電纜的8根導(dǎo)線（4對(duì)導(dǎo)線）上都加載了電壓，新標(biāo)準(zhǔn)充分利用了網(wǎng)線的功率承載能力，將最大功率提升到90W。而且IEEE 802.3bt增加了兩種PoE設(shè)備類型（Type 3和Tyep 4）以及4種功率等級(jí)的定義，支持的PoE應(yīng)用更為豐富；Autoclass等新特性，讓供電的精確性和效率也上了一個(gè)臺(tái)階。雖然這一PoE新標(biāo)準(zhǔn)還未正式命名，但鑒于這些顯著增強(qiáng)的“能力”，人們習(xí)慣性地將其稱為“PoE++”。

 

圖1，IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

 

更智能的控制

 

如果我們仔細(xì)觀察IEEE 802.3bt，會(huì)發(fā)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)未來(lái)PoE應(yīng)用開(kāi)發(fā)的價(jià)值，不僅體現(xiàn)在功率范圍的提升，還在于更豐富而細(xì)致的功率分級(jí)，可以為不同功率要求的垂直應(yīng)用按需供電，確保可用能量和數(shù)據(jù)傳輸帶寬的最大化，在能效方面也會(huì)有更佳的表現(xiàn)。簡(jiǎn)言之，新標(biāo)準(zhǔn)可讓PoE實(shí)現(xiàn)更為智能化的管理。

 

表1，PoE標(biāo)準(zhǔn)中功率等級(jí)定義

 

PoE系統(tǒng)中，電力傳輸通過(guò)PSE和PD之間的握手協(xié)議來(lái)管理——PSE會(huì)檢測(cè)PD是否支持PoE及其設(shè)備類型、所屬的功率等級(jí)，并根據(jù)這些信息為PD提供所需的電力。

 

一個(gè)典型的PoE協(xié)議過(guò)程包括四個(gè)部分：

 

檢測(cè)：PSE設(shè)備通過(guò)端口發(fā)出一個(gè)低電壓脈沖，以檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中接入的受電設(shè)備（PD）是否符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

分級(jí)：當(dāng)PSE確認(rèn)PD符合要求后，PSE會(huì)將輸出電壓進(jìn)一步提高，用一個(gè)探測(cè)電壓來(lái)確認(rèn)PD的功率等級(jí)——通常PD設(shè)備會(huì)在線路中串聯(lián)一個(gè)分級(jí)電阻，來(lái)標(biāo)識(shí)自己的功率，PSE通過(guò)測(cè)試返回特征電流的大小來(lái)確定PD設(shè)備的功率等級(jí)。

 

供電：經(jīng)過(guò)上述的“對(duì)話”之后，PSE會(huì)向PD輸出滿足其所需的直流電。

 

維護(hù)：PSE會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電功率，進(jìn)行斷路檢測(cè)和單端口過(guò)載檢測(cè)：當(dāng)PD超載或短路后，PSE供電會(huì)中斷并重新開(kāi)始檢測(cè)過(guò)程；如果PD的連接斷開(kāi)或關(guān)閉，PSE會(huì)停止為其供電。

 

上述PoE協(xié)議的管理，是通過(guò)一顆專門的PD控制器芯片來(lái)完成的，而IEEE 802.3bt新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，自然少不了符合新標(biāo)準(zhǔn)的PD控制器來(lái)支持。

 

符合新標(biāo)準(zhǔn)的PD控制器

 

為了滿足IEEE 802.3bt新標(biāo)準(zhǔn)的需要，安森美半導(dǎo)體今年9月推出了最新的PoE-PD控制器NCP1095和NCP1096，它們不僅支持新標(biāo)準(zhǔn)的所有規(guī)范要求，還向后兼容原有標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)支持將功率擴(kuò)展到100 W，用于一些特定的電信和數(shù)字標(biāo)牌應(yīng)用。

 

圖2，安森美推出符合IEEE 802.3bt的PoE-PD控制器（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

 

NCP1095和NCP1096還支持IEEE 802.3bt新增的Autoclass能量管理特性，讓PD能夠?qū)⑵涮囟ǖ墓β市枨髠鬟f給PSE，以實(shí)現(xiàn)PoE系統(tǒng)更精準(zhǔn)的控制。當(dāng)NCP1095或NCP1096的Autoclass功能被激活時(shí)， PSE開(kāi)始向PD供電，系統(tǒng)將在1.35秒內(nèi)達(dá)到其功率等級(jí)規(guī)定最大的功率水平，并將這個(gè)最大的負(fù)載功率保持至少3.65秒，在這個(gè)過(guò)程中PSE將檢測(cè)PD的實(shí)際功率消耗，并據(jù)此向PD分配相應(yīng)的功率。

 

圖3，Autoclass工作過(guò)程（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

 

此外，為了進(jìn)一步提升集成度和系統(tǒng)功效，NCP1096還集成了N通道MOSFET負(fù)載開(kāi)關(guān)，可在輔助電源為PD供電時(shí)改善功效表現(xiàn)。

 

圖4，NCP1095系統(tǒng)框圖（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

 

圖5，NCP1096系統(tǒng)框圖（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

 

其他PoE-PD控制器需要的特性，NCP1095和NCP1096在產(chǎn)品定義中也考慮得很周全。其主要的性能特點(diǎn)歸納如下：

 

● 完全符合IEEE 802.3bt、IEEE 802.3af和IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)

● 保證PoE設(shè)備之間的互操作性

● 最多支持5事件物理層分類

● 分配功率高達(dá)90W

● 采用內(nèi)部71mΩ傳輸晶體管，支持大功率應(yīng)用

● 連接輔助電源時(shí)，有源電橋和熱插拔FET功能禁用，從而提高了功效（僅限NCP1096）

● 支持Autoclass操作

● 浪涌電流限制：135mA（典型值）

● 開(kāi)漏電源良好指示器

● 支持簡(jiǎn)短的MPS

● 支持開(kāi)關(guān)禁用輸入以進(jìn)行后輔助電源操作

● 專有的100W+應(yīng)用

● 過(guò)流保護(hù)

● 過(guò)熱保護(hù)

● 結(jié)溫范圍：-40°C至+125°C

● 封裝類型：TSSOP-16

● 無(wú)鉛，符合RoHS指令

 

完整的方案

 

當(dāng)然，為了快速響應(yīng)最新的PoE標(biāo)準(zhǔn)，在市場(chǎng)中占據(jù)領(lǐng)跑位置，安森美半導(dǎo)體除了PD控制器，還配以DC-DC控制器、MOSFET等產(chǎn)品形成了一整套IEEE 802.3bt解決方案。該方案可有效替代傳統(tǒng)的PoE應(yīng)用中的二極管橋方案，實(shí)現(xiàn)更大的功率（標(biāo)準(zhǔn)90W，專用100W）和更高的能效。

 

圖6，基于NCP1096的IEEE 802.3bt以太網(wǎng)供電完整解決方案（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

 

安森美半導(dǎo)體802.3bt PoE方案核心元器件

 

● NCP1095或NCP1096 PD控制器

● NCP1566 DC-DC控制器

● FDMC8622單MOSFET、FDMQ8203和FDMQ8205A GreenBridge™四通道MOSFET

 

根據(jù)IHS Markit的分析，2017年到2022年間，以太網(wǎng)供電市場(chǎng)將保持14%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，可以說(shuō)是當(dāng)今功率半導(dǎo)體發(fā)展最快的市場(chǎng)之一。IEEE 802.3bt這一PoE新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，會(huì)讓更多基于以太網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成為可能，令聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功能得以加強(qiáng)。

 

不想錯(cuò)過(guò)這場(chǎng)功率半導(dǎo)體的盛宴？安森美半導(dǎo)體符合IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的PD控制器，及其完整解決方案，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇！貿(mào)澤電子也會(huì)持續(xù)將來(lái)自業(yè)界知名廠商的新技術(shù)和方案呈現(xiàn)在你面前。

 

出處：貿(mào)澤電子公眾號(hào)

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