快速启动IEEE 802.3bt的PoE++

经过五年的开发，将于2018年底完成，IEEE的下一个以太网供电（PoE）标准，也称为PoE ++，有电源设备（PSE）和用电设备（PD）开发人员争先恐后地寻找最新的硬件，这是理所当然的，因为PoE++为PD提供高达71.3 W的功率，几乎是之前标准的25.5 W的三倍。 PoE++允许通过与千兆以太网的同一电缆发送52 V时的1.7 A， 为下一代高功耗应用奠定基础 — 想想室外加热云台-俯仰-变焦摄像机网络或用于蜂窝或 Wi-Fi 通信的远程基站和接入点。

图 1 显示了一个基本的 PoE 框图，其中单个 PD 连接到 PSE。现在 802.3bt 标准已经定稿，PoE 开发人员将希望率先将他们的 PoE++ 设计推向市场。挑战在于找到完全发布且合格的 PSE 和 PD 解决方案 100% 符合 802.3bt 标准。别再看了...

图1.以太网供电框图。

作为IEEE 802.3bt任务组的PoE先驱和活跃成员，ADI公司发布了PoE++ PD和PSE控制器，使PoE开发人员能够根据802.3bt标准的最终版本进行设计。ADI公司LTC4291-1/LTC4292 PoE++ PSE控制器芯片组和PoE++ PD控制器的发布使开发人员能够提供一个完整的端到端PoE++系统，该系统在现场久经考验。我们将仔细研究 LTC4291-1 / LTC4292 芯片组的特别之处，并介绍它如何增强 IEEE 最新的 PoE 标准，并快速回顾 PoE++ PD 产品的主要特性。

LTC4291-1 / LTC4292 PSE 芯片组

LTC®4291-1 / LTC4292 是一款专为 PoE++ 系统设计的隔离式 4 端口 PSE 控制器芯片组。图 2 是 LTC4291-1 / LTC4292 的简化原理图，其中显示了四个以太网端口中的一个是如何供电的。该芯片组最新颖的特性是其集成隔离，因此采用了芯片组架构，其中 LTC4291-1 提供了一个与 PSE 主机的隔离式数字接口，而 LTC4292 则提供了一个高电压以太网接口。IEEE 802.3 以太网规范要求网段（包括 PoE 电路）与机箱接地和 PHY 电气隔离。通过将 LTC4291-1 放在非隔离侧，将 LTC4292 放在隔离侧，最多 6 个昂贵的光耦合器和一个隔离电源被更便宜、更可靠的 10/100 以太网变压器取代。这种拓扑结构不仅可以节省成本，还可以实现更坚固和可制造的PSE设计。

图2.LTC4291-1 和 LTC4292 PoE++ 四通道 PSE 芯片组的简化原理图。

用户可通过 I 与 LTC4291-1 / LTC4292 通信2C 接口，可根据应用选择四种 PSE 操作模式（自动、半自动、手动或关机）之一。LTC4291-1/LTC4292 使用两个通道（两个栅极驱动器）通过低至 40 mΩ R 的外部 MOSFET 控制电源路径DS（开启）.使用外部 MOSFET 允许用户选择低 RDS（开启）组件，降低功耗，并解耦通道故障。使用 0.15 Ω 检测电阻还可以降低功耗。我2C 接口允许端口配置、端口状态监控以及端口电流、PoE 电源电压和端口功率的遥测读数。

802.3bt 引入了两种不同的 PD 特征配置，即单特征 PD 和双特征 PD。单特征 PD（图 3）是一种 PoE++ PD，它在两个对集之间共享相同的检测签名和分类签名。双特征 PD 是 PoE++ PD，每个对集上都有一个独立的签名;允许每个配对集具有完全独立的分类和功率分配。双特征PD是复杂的解决方案，其成本是单特征PD的两倍。此外，值得注意的是，802.3bt双特征PD并不等同于试行标准的UPoE设备，尽管共享一个共同的架构。LTC4291-1 / LTC4292 支持更新的 PoE++ PD 检测过程，并结合新的连接检查子过程来确定将哪种 PD 特征配置连接到 PSE。

图3.单特征与双特征 PD 拓扑。

一旦执行了连接检查，LTC4291-1 / LTC4292 将继续验证连接的 PD 是否符合 IEEE 标准。虽然 IEEE 要求 PSE 使用 2 点电压或 2 点电流检测方案检测有效的 PD 特征 （25 kΩ），但 LTC4291-1 / LTC4292 通过采用两种类型的检测方案实现了更稳健的方案。这种多点（多电压和多电流）检测方案用于消除误报并避免损坏不设计为承受 PoE 直流电压的网络设备。

PoE++ 为四对导体（八根线）供电以提供电力，而以前的 PoE 标准使用传统的两对导体（四根线）供电。不仅启用了新的更高功率水平，而且使用更多的导体为较旧的较低功率水平提供了更好的效率，因为电缆中的功率损耗减少了一半。例如，PoE+ PSE 需要提供 30 W 的功率，以确保 PoE+ PD 接收 25.5 W，其中 4.5 W 的功率在 100 米的 CAT5E 电缆上损耗。采用 PoE++ 标准为相同的 25.5 W PD 供电通常会将损耗降低到 2.25 W 以下，从而将整体供电效率从 85% 提高到 92.5%。当您考虑全球 PoE PD 的数量时，这意味着功率大幅降低，在许多情况下，碳足迹最多可降低 7.5%。

PoE++ 非隔离 4 个新的高功率 PD 类，使单特征码类的总数达到 9 个，如表 1 所示。类 5 到 8 是 PoE++ 的新增内容，转换为 40 W 至 71.3 W 的 PD 功率水平。PSE 仍然可以选择使用物理层（即 71.3 W 的 5 事件分类）或数据链路层（例如，链路层发现协议 （LLDP））对 PD 进行分类，并且 PD 仍然需要能够支持这两种分类方案才能合规。请记住，由于每个对集在双特征 PD 中独立运行，因此每个对集可以是不同的类。例如，第一个配对组上的 1 类 （3.84 W） 和第二个配对组上的 2 类 （6.49 W） 将构成双特征 1 类、2 类 （10.3 W） PD。

 

单签名 PD		双特征 PD
类	可用 PD 功率 （W）	类	可用配对 PD 功率 （W）
0	13
1	3.84	1	3.84
2	6.49	2	6.49
3	13	3	13
4	25.5	4	25.5
5	40	5	40
6	51
7	62
8	71

 

PoE++ PD 还可以实现物理层分类的可选扩展（称为自动分类），其中 PoE++ PSE（如 LTC4291-1 / LTC4292）测量所连接 PD 的实际最大功耗。通过这样做，这种方便的电源管理功能允许，例如，LTC4291-1 / LTC4292 在测量特定灯泡时将剩余功率分配给其他灯泡，因为亮度设置较低或电缆较短，消耗的功率低于其同类功率。

毋庸置疑，PoE++ 向后兼容较旧的 25.5W PoE+ 和 13 W PoE 标准。较低功率的 PoE+ 或 PoE PD 可以连接到更高功率的 PoE++ PSE，如 LTC4291-1 / LTC4292，而不会出现任何问题。而且，当表转动并且更高功率的 PoE++ PD 连接到较低功率的 PoE+ 或 PoE PSE 时，PD 可以在协商的低功耗状态下运行，这称为降级。如果 PD 忽略降级并在其最高功率状态下运行，则耗电的 PD 将导致 PSE 反复打开，达到其过电流，然后关闭 - 实际上，摩托艇使 PSE 。出于这个原因，PoE+ 和 PoE++ 都需要降级，但不幸的是，在某些实现中被忽略了。

PD 实现

开发人员使用ADI公司的IC来最大限度地提高PoE++ PD性能。图 4 显示了带有辅助输入的高效、单特征 PoE++ PD 接口的简化框图。该解决方案提供大于 94% 的端到端（RJ-45 输入至 PD 负载）效率，工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。

图4.带辅助输入的高效 IEEE 802.3bt 单特征 PD 接口的简化框图。

LT4321（如图4中的RJ-45接口所示）是一款有源二极管桥式控制器，可替代所需的二极管桥式整流器。LT4321 采用低损耗 N 沟道 MOSFET 电桥来同时增加 PD 的可用功率并减少散热。PoE++ 要求 PD 在其以太网输入上接受任意极性的直流电源电压，因此 LT4321 能够平稳地整流，并将来自两个数据对的功率组合成单个极性校正电源输出。由于增强的功率效率实际上消除了散热要求，因此降低了整体电路尺寸和成本，并且节能10×或更多使PD能够保持在分类功率预算范围内或添加其他功能。

在图 4 中的理想二极管桥控制器之后是 PD 接口的大脑 — LT4295 是一款 PoE++ PD 接口控制器，集成了一个高效率正激式或无光耦反激式控制器。LT4295 支持所有 9 个 IEEE PD 类别，具有一个集成的 25 kΩ 特征电阻器、多达 5 个事件分类和一个单特征拓扑。除了提供更多的 PD 功率外，LT4295 相对于传统 PD 控制器的优势在于它使用了一个外部功率 MOSFET，以再次大幅降低整体 PD 散热并最大限度地提高电源效率，这在 PoE++ 标准的较高功率水平下变得更加重要。

对于那些需要能够支持辅助电源的PoE++ PD设计，PD可以选择由电源适配器供电，图4顶部所示的LT4320是一款9 V至72 V有源二极管桥式控制器，它用低损耗N沟道MOSFET取代全波桥式整流器中的四个二极管，以显著降低功耗并增加可用电压。电源和壁式电源适配器的尺寸可以减小，因为增强的电源效率消除了笨重且昂贵的散热器。低电压应用还可以从热运行二极管电桥固有的近两个全二极管压降（~1.2 V，12 V时为10%）提供的额外裕量中受益，从而增加应用裕量。

结论

PoE++标准的批准迫在眉睫，因此开发人员可以放心地进入市场。PoE++ 标准高达 71.3 W 的更高功率水平，并具有丰富的新电源管理功能，开发人员可以利用这些功能来创建更加动态和优化的系统。PSE 开发人员应该欣赏ADI公司刚刚发布的LTC4291-1 / LTC4292 PSE四端口芯片组的稳健性和BOM简化。同时，在电缆的另一端，PD开发人员继续拥有多个ADI公司的IC，以减少热量并提高电源效率。

审核编辑：郭婷