以太网供电采用率随供电能力提高而增长

作者：贸泽电子Mark Patrick

以太网协议IEEE 802.3正在从传统IT领域不断扩展到新兴应用和市场。如今，由于时间敏感网络（TSN）等标准的加强，以太网已部署在零售销售点设备、安全监控摄像头以及工业等领域。以太网还在自动驾驶汽车等核心应用中成为必不可少的快速、可靠和安全网络，从而在汽车应用中崭露头角。多年来，以太网的大多数参数改进都集中在提高数据传输速率上，但是，2003年批准的802.3af引入了以太网供电（PoE）技术，即能够通过以太网电缆传输功率。

为什么要采用PoE？

对于VoIP、安全摄像头和楼宇自动化等许多应用，随着以太网成为这些新应用的首选网络接口，通过单一电缆同时传输数据和功率既节省成本，又非常便捷，因而变得非常有吸引力。PoE能够使交换机和无线接入点等网络基础设施的部署更加简捷，不再需要为每个网络设备进行耗时且昂贵的交流电源插座安装， PoE还可在断电时为一些基本基础设施设备提供紧急电源。

PoE支持的设备部署正在不断扩展到零售、制造、安全和访问控制等市场，而且这会反过来给PoE标准组织施加压力，要求他们寻求提高功率传输能力的新技术。

PoE标准演进

PoE的基本概念涉及使用电源设备（PSE）向受电设备（PD）供电。当今提供的大多数网络基础设施设备都具有PSE功能或在订购时可以选择。端跨（endspan，也称为端点）PD具有内置电路，可从从以太网插槽中汲取功率来进行操作。对于未配备支持PoE交换机的现有和传统以太网基础基础设施，中跨（midspan）PoE注入器可为端跨供电。同样，在受电设备处，PoE分离器用于分离电源和数据信号，并可为未配备PoE的受电设备提供稳定的直流电压。

最初的PoE标准802.3af于2003年发布，使用Cat5以太网电缆中四对双绞线中的两对（请参见图1）。

图1：使用两对双绞线的802.3af兼容PoE实现。

PoE标准允许线路损耗，并规定负载的电压范围为37～57V。基于在37V下提供最大350 mA电流，功率容量为12.95W。

图2：PoE标准，其中显示了类型和类别。

随着对更高功率的需求不断增长，陆续发布了新标准，使Class 8设备的功率容量达到90瓦。在802.3bt标准（也称为PoE +）下，Class 5 和Type 3以上设备使用所有四对电缆传输功率。PSE提供的电压因设备类型而异，对于Type 4设备，电压范围为52～57V，最大额定电流为960 mA。

从早期开始，PoE就已经广泛用于安全摄像头，其13瓦的受电设备功能足以为大多数简单的摄像头供电。但是，在能够实施远程摇摄、俯仰和变焦的IP摄像头问世之后，这些设备需要更高的功率预算。802.3bt标准的推出标志着从使用两个电缆对转变为使用四个电缆对。伴随PoE供电能力的增强，已经迅速为更多应用打开了大门，其中之一是楼宇自动化系统，它可以管理现代化办公室的供暖、通风、照明和访问控制等。现在可以通过PoE来管理LED灯串及其相关的控制设备。

通过引入四对配置，802.3bt标准提供了一种在单个受电设备中提供两个独立电源轨的机制。这种方法允许创建不同的电压轨，例如+3.3 VDC和+5 VDC，或±2V电源。图3所示为供电的两种方法：单签名和双签名。

图3：使用单签名或双签名PoE供电架构。

随着PoE应用于越来越多联网设备，尤其是消费类和商用设备，以太网联盟认为PoE的认证计划将能够提供一种快速简便的方法，可以轻松识别能够互操作的产品。目前正在就两对电缆应用进行Class 4及以下级别的认证（称为EA1），并于2020年末开始引入最高Class 8（EA2）认证。对正式认证框架是否兼容会严重影响任何技术的购买决定，因此，符合PoE认证计划可能会成为所有新产品营销规范的重要方面。工程团队将需要熟知认证要求和测试方法，并在开发周期中花足够的时间来充分准备测试。新罕布什尔大学（The University of New Hampshire）是以太网联盟授权的PoE认证唯一测试机构。

在设计中实施PoE

在终端节点设备中实现PoE功能需要分离出从PSE接收到的功率，实现以太网控制功能和功率转换。许多制造商将这些功能集成到单个PoE IC。

Silicon Labs的Si34071是一种节省空间的解决方案，可将外部组件的数量降至最低。Si34071完全符合Class 8 的802.3bt标准，并集成了高效峰值电流模式DC/DC转换器，能够提供可配置的开关频率，所有这些功能都在一个薄型5 x 5mm QFN封装内实现。Si34071还提供有一个UART接口，用于连接到主机MCU。图4展示了Si34071的功能框图，图5则突出显示了Si34071AC5V8KIT PoE评估板中Si34071的使用。

图4：Silicon Labs Si34071 PoE IC的功能框图。

图5：采用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT评估板的受电设备PD Class 8、71瓦接口简化框图。

Si34071AC5V8KIT评估板可提供单签名5V/14A输出，隔离式正向拓扑DC/DC转换器的工作效率优于91％。该设计具有自动分类开关（Class switching），瞬态和过压保护等功能。

对于开发PSE端设计，Silicon Labs的 Si3474 PSE IC可提供四个90瓦802.3bt兼容PoE端口或最多八个30瓦802.3at/af PoE端口。

Microchip可针对PoE应用原型提供全面的PSE和PD IC以及开发套件。 Microchip的PD69208T4完全符合802.3af、at和bt标准，支持多达8个2对或4对4型PD要求的端口，最大输出功率为95瓦，是与PD69210控制器配合使用的PoE电源管理IC。这些PSE IC适合PoE交换机、路由器和中跨设备等应用，它们还适用于各种工业自动化设备和LED照明控制器。

Microchip还提供了完整的中跨PoE注入器单元，其中一款是PD9501GCO，该单端口中跨单元专为室外应用而设计，防护等级为IP67，向后兼容802.3at和802.3af标准，是安全摄像头和无线局域网接入点等外部应用的理想选择。

意法半导体（STMicroelectronics）还提供一系列PoE-PD设备。 PM8805是符合IEEE 802.3bt单签名标准的PoE PD接口，具有集成的双主动桥式MOSFETS配置，因为它们的正向电压损耗较低，因而可替代二极管。

结论

以太网供电已从刚刚开始的相对较低功率发展成为适于多种应用的电源选择方案，可理想用于包括安全摄像头和楼宇自动化系统在内的多种应用。其功率容量在演进到90瓦时能够大大扩展应用范围，并将有助于将以太网部署加速扩展到更多市场领域。