引言

　　以太網(wǎng)供電 (PoE) 技術(shù)日益流行和成熟，因此供電設(shè)備 (PSE) 和受電設(shè)備 (PD) 開發(fā)人員熱切盼望追隨下一波 IEEE 潮流，開始通過以太網(wǎng)電纜提供更大功率，也就不足為奇了。不過，就像很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一樣，IEEE PoE 標(biāo)準(zhǔn)的最終確定常常遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于市場所需。IEEE PoE 特別小組的最新時間表顯示，71W 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)直到 2018 年初都不會準(zhǔn)備就緒。從技術(shù)角度而言，這樣的等待時間太長了，等待這么久意味著很容易錯過商機(jī)或市場機(jī)會。那么，在這種情況下，PSE 和 PD 開發(fā)人員應(yīng)該怎么辦? 沒什么可說的，當(dāng)然是現(xiàn)在就開始設(shè)計和制造設(shè)備!想讓產(chǎn)品率先進(jìn)入 802.3bt 市場的開發(fā)人員今天有ADI公司的 LT4295 IEEE 802.3bt PD 控制器可用，該控制器符合標(biāo)準(zhǔn)草案 2.0 版要求。

　　功率越大，潛力越大

　　不出所料，IEEE PoE 特別小組和開發(fā)人員的關(guān)注點(diǎn)一直落在最終為 PD 提供多大功率上。2003 年，IEEE PoE 特別小組在最初的 IEEE 802.3af PoE 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，向 PD 輸入端的 RJ-45 插座提供約 13W 功率。此后，市場不斷要求更大功率。因此在 2009 年，IEEE PoE 特別小組修訂了標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了 IEEE 802.3at (也稱為 PoE+)，將最大 PD 功率級提高到 25.5W。到今天，人們預(yù)計，目前正在制訂中的修訂版 IEEE 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn) 2.0 (也稱為 PoE++ 或 4PPoE)，將為 PD 提供高達(dá) 71W 功率。

　　有了更大的功率，開發(fā)人員就可以非常容易地增加更多功能并升級已有產(chǎn)品。以安防攝像頭為例，這種應(yīng)用一直隨著 PoE 標(biāo)準(zhǔn)的修訂而不斷演變。在僅有 13W 功率可用時，最初的 PoE 供電安防攝像頭僅是簡單的靜止系統(tǒng)。然而，當(dāng) 802.3at 分配了 25.5W 功率以后，就有了更大功率來驅(qū)動多種嵌入式電動機(jī)，從而使安防攝像頭可以提供上下、左右移動和變焦功能。現(xiàn)在，由于可以利用 802.3bt 的 71W 功率，所以具備上下、左右移動和變焦功能的安防攝像頭還可以集成風(fēng)扇和加熱組件，以支持在極端溫度下運(yùn)行。在有些情況下，更高的 PoE 功率級有可能助力打開全新市場。例如，傳統(tǒng) LED 照明設(shè)備制造商可能只生產(chǎn)安裝在天花板上、用墻上開關(guān)控制的照明燈，但是現(xiàn)在，它們可以生產(chǎn)支持 PoE 的產(chǎn)品，這將有助于為智能家居或智能建筑創(chuàng)造機(jī)會。無論更大的功率是否促進(jìn)了最終產(chǎn)品的演變或徹底改變，很顯然的是，PoE 標(biāo)準(zhǔn)的每一次修訂都帶來了更大的市場潛力。

　　對 PSE-PD 鏈路的改變

　　正如您也許已經(jīng)猜到的那樣：4PPoE 代表“4 線對 PoE”，因為 802.3bt 規(guī)范利用以太網(wǎng)電纜中的所有 4 根雙絞線以實現(xiàn)長達(dá) 100m 的功率傳輸;在較舊的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)中，4 線對功率輸送是不兼容的。圖 1 示出了 IEEE 802.3bt PSE-PD 鏈路的典型方框圖。電纜布線要求仍然懸而未決，但是電纜布線委員會和制造商正在猜測：802.3bt 將要求至少采用 Category 5E 電纜，旨在支持增加的功率水平并以 10GBASE-T (10Gbit/s 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率) 運(yùn)作。在任何場合中，由于我們現(xiàn)今逐步達(dá)到以太網(wǎng)電纜的電流處理極限，因此可能要留意先前被忽視的電纜布線系統(tǒng)性能特征。

　　圖 1：IEEE 802.3bt PSE-PD 鏈路的典型方框圖

　　802.3bt PSE CONTROLLER：802.3bt PSE 控制器

　　DATA PAIR：數(shù)據(jù)傳送線對

　　SPARE PAIR：備用線對

　　802.3bt PD CONTROLLER：802.3bt PD 控制器

　　DC/DC CONVERTER：DC/DC 轉(zhuǎn)換器

　　802.3bt 引入了兩種新型 PD 拓?fù)洌簡翁卣骱碗p特征。單特征 PD 是在兩個線對 (pairset) 之間共用相同的檢測特征、分級特征和維持功率特征 (MPS) 的 802.3bt PD，而雙特征 PD 則是在兩個線對之間具有獨(dú)立特征的 802.3bt PD。毫無疑問，新的 802.3bt 設(shè)計將趨向于采用較為簡單和更具成本效益的單特征拓?fù)?，該拓?fù)鋬H需要單個 PD 接口。雙特征 PD 需要兩個并行 PD 接口 (每個線對各用一個)，來自兩個 PSE 的功率在每個 PD 接口之后相加。例如，雙特征拓?fù)鋵嵸|(zhì)上采用兩個 25.5W PD 以構(gòu)成單個 51W PD，這是一種成本有可能高達(dá)單特征 51W PD 之兩倍的復(fù)雜解決方案。

　　802.3bt 檢測過程已被擴(kuò)展到不僅能夠辨別所連接的 PD 是符合 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的 PD，而且還可確定連接的是單特征 PD 還是雙特征 PD。正因為如此，檢測功能如今利用 “連接檢查” (Connection Check) 進(jìn)行了擴(kuò)充，以確定單特征或雙特征 PD 配置。

　　802.3bt 規(guī)范引入了四種新的高功率 PD 分級 (Class)，從而使單特征類別的總數(shù)達(dá)到 9 個，如表 1 所示。Class 5~8 對于 PoE 標(biāo)準(zhǔn)而言是新的，并轉(zhuǎn)化為 40.0W 至 71.0W 的 PD 功率水平。PSE 仍然可選擇使用物理層 (即：用于 71W 的 5 事件分級) 或數(shù)據(jù)鏈路層 (即：鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議，LLDP) 進(jìn)行 PD 的分級，而且 PD 依然必需能夠支持兩種分級方案以與標(biāo)準(zhǔn)相符。另外，802.3bt 還可以實現(xiàn)物理層分級的一種任選擴(kuò)展 (稱為 “Autoclass”)，在此擴(kuò)展中一個 802.3bt PSE 測量一個連接 PD 的實際最大吸取功率。舉個例子，這種便利的功率管理功能允許 PSE 把剩余的功率分配給附加的燈泡 (如果它知道某個特定燈泡所吸取的功率低于其分級功率)。

　　表 1：IEEE 802.3bt PD 分級和功率水平

　　對于那些需要 PD 在深度睡眠模式之用戶，他們將很高興地發(fā)現(xiàn)：802.3bt 規(guī)范提出了維持功率特征 (MPS) 的一種較低功率版本，被稱為“低 MPS”。根據(jù)較舊的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)，PD 必須以 32% 的占空比吸收一個小的 DC 電流，旨在告知 PSE 把 PD 保持在接通狀態(tài)。然而，這種相對較高的占空比在某些應(yīng)用中會迅速成為一項負(fù)擔(dān)，比如：當(dāng)您考慮新的“高效節(jié)能型”建筑標(biāo)準(zhǔn)時。目前，802.3bt PD 僅需以 ~2% 的占空比維持一個小的 DC 電流，因而大幅度地減小了待機(jī)電流。

　　表 2 匯總了 802.3bt PD 的類型 (Type) 和特性。您或許已經(jīng)熟悉了 Type 1 和Type 2 PD，它們分別由 802.3af 和 802.3at 規(guī)范提出，并且通常映射到一種或多種獨(dú)特的分級 (功率水平)。然而，802.3bt 的新型 Type 3 和 Type 4 PD 就不是那么簡單了。正如可從“PD 分級”欄看到的那樣，除了 Class 0 之外，Type 3 PD 涵蓋和擴(kuò)展了 Type 1 和 Type 2 PD 中的分級。相似地，Class 5 被 Type 3 單特征和 Type 4 雙特征 PD 所采用。此外，從圖 2 可知，一個 Class 5 單特征 PD 僅被分配了 40W，而一個 Class 5 雙特征 PD 則被分配了 2 x 35.5W;在雙特征 PD 中會使情況更加糟糕，因為每個線對獨(dú)立地工作，每個線對有可能處于不同的分級，例如：第一個線對上的 Class 1 (3.84W) 和第二個線對上的 Class 2 (6.49W) 形成了一個雙特征 Class 1.2 (10.3W) PD。隨著雙特征 PD 的所有此類分級重疊和非標(biāo)準(zhǔn)功率水平的激增，重要的是開發(fā)人員和用戶等不再把 PD 類型與 PD 分級等同起來，也不再把 PD 分級與 PD 功率水平視為同義。作為替代，明確地識別 PD 的特征拓?fù)浜头旨墶⒉⒅?jǐn)慎地檢查 PD “類型” 的真實含義對每個人都將是最有益的。

　　表 2：IEEE 802.3bt PD 類型和特性概要

　　不言而喻，802.3bt 可向后兼容 802.3at 和 802.3af。一個較低功率 802.3at 或 802.3af PD 可連接至一個較高功率 802.3bt PSE，這不會有任何問題。而且，當(dāng)情況反過來的時候，即一個較高功率 802.3bt PD 連接至一個較低功率 802.3at 或 802.3af PSE，PD 只需能夠工作在各自的較低功率狀態(tài)即可，這被稱為“降級”。如果 PD 忽略降級并工作在其最高功率狀態(tài)，則高耗電的 PD 將導(dǎo)致 PSE 反復(fù)地接通，達(dá)到其電流限值，然后關(guān)斷。這實際上使 PSE 產(chǎn)生低頻寄生振蕩。因此，“降級”是 802.3at 和 802.3af 規(guī)范所要求的，但遺憾的是在許多實施方案中被忽視了。

　　盡可能地使用所有的可用功率

　　高功率 PD 設(shè)計最重要的方面通常是成本和效率，這在很大程度上受到選擇用于實現(xiàn) PD 接口之 IC 的影響。此外，從事空間受限型設(shè)計的開發(fā)人員還痛苦地意識到怎樣限制 PD 的尺寸只會成為更大的挑戰(zhàn)，原因是較高的功率水平需要使用較大的分立組件和較大的散熱器。為此，ADI提供了三款專為實現(xiàn) 802.3bt PD 性能之最大化、也許更重要的是可簡化工作任務(wù)而特別設(shè)計的 IC。圖 2 示出了具有一個輔助輸入的高效率單特征 802.3bt PD 接口的簡化方框圖。該解決方案擁有高于 94% 的端到端 (RJ-45 輸入至 PD 負(fù)載) 效率，并可在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)工作。

　　圖 2：具輔助輸入的高效率 IEEE 802.3bt 單特征 PD 接口的簡化方框圖

　　AUX INPUT：輔助輸入

　　DC TO 600Hz：DC 至 600Hz

　　DATA PAIRS：數(shù)據(jù)線對

　　SPARE PAIRS：備用線對

　　IDEAL DIODE BRIDGE CONTROLLER：理想二極管橋式控制器

　　?MAXIMIZES POWER EFFICIENCY：最大限度提高電源效率

　　?REDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS：減少熱量，消除熱量設(shè)計問題

　　?DC TO 600Hz：DC 至 600Hz

　　?9V TO 72V OPERATING VOLTAGE RANGE：9V 至 72V 工作電壓范圍

　　?IQ = 1.5mA (TYPICAL)：IQ = 1.5mA (典型值)

　　FORWARD OR FLYBACK DISCRETES：正向或反激式分立電路

　　PD FORWARD/FLYBACK CONTROLLER：PD 正向 / 反激式控制器

　　?IEEE 802.3bt COMPLIANT：IEEE 802.3bt 兼容

　　?HIGH EFFICIENCY FORWARD OR NO-OPTO FLYBACK OPERATION：

　　高效率正向或無光耦合反激式運(yùn)行

　　?SUPERIOR SURGE PROTECTION (100V)：出色的浪涌保護(hù) (100V)

　　?WIDE JUNCTION TEMPERATURE RANGE (-40°C TO 125°C)：寬的結(jié)溫范圍 (-40°C 至 125°C)

　　PoE DIODE BRIDGE CONTROLLER：PoE 二極管橋式控制器

　　?MAZIMIZED POWER EFFICEINCY：最大限度提高電源效率

　　?REDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS：減少熱量，消除熱量設(shè)計問題

　　?LESS THAN 800uA QUIESCENT OPERATING CURRENT：低于 800uA 靜態(tài)工作電流

　　?FULLY COMPATIBLE WITH IEEE 802.3 DETECTION AND CLASSIFICATION：

　　與 IEEE 802.3 檢測與分級完全兼容

　　示于圖 2 中 RJ-45 接口上的 LT4321 是一款理想二極管橋控制器，其可取代兩個二極管橋式整流器 (圖 1)。LT4321 采用低功耗 N 溝道 MOSFET 橋以同時增加 PD 的可用功率并減少散熱量。802.3bt 規(guī)范要求 PD 在其以太網(wǎng)輸入端上能夠接受任何極性的 DC 電源電壓，這樣 LT4321 可對來自數(shù)據(jù)線對和空閑線對的電源進(jìn)行平滑的整流并將其整合為極性正確的單個電源輸出。由于電源效率提高實際上免除了散熱要求，所以總體電路尺寸和成本得以降低。功率可降低 10 倍或更多，從而使 PD 能夠保持在分級功率預(yù)算之內(nèi)，或者使 PD 能夠增加功能。

　　在圖 2 中位于理想二極管橋控制器之后的是 PD 接口的 “大腦中樞” LT4295，其為一款符合 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)的 PD 接口控制器，集成了一個高效率正激式或無光耦合反激式控制器。LT4295 利用一個集成型 25kΩ 特征電阻、高達(dá) 5 事件分級檢測和一種單特征拓?fù)渲С炙?nbsp;9 種 PD 分級和所有 4 種 PD 類型。除了提供更多的 PD 功率之外，使 LT4295 優(yōu)于傳統(tǒng) PD 控制器的因素是其采用一個外部功率 MOSFET 以大幅度地降低總體 PD 散熱量并實現(xiàn)電源效率的最大化，由于 802.3bt 的功率水平更高，因此這一點(diǎn)再次變得更為重要。這種新穎方法使用戶能夠按照應(yīng)用的具體散熱和效率要求選擇 MOSFET 尺寸，從而允許選用導(dǎo)通電阻低至 30mΩ 的 MOSFET。

　　如果 802.3bt 的 71.0W 讓您渴望獲得更多的功率，則可尋求ADI LTPoE++ PSE 和 PD 控制器系列的幫助，這些器件能提供高達(dá) 90W 的功率水平。LTPoE++ 規(guī)范采用了一種與 802.3bt 規(guī)范相似的分級方案，可使 LTPoE++ PSE 控制器與 LTPoE++ PD 控制器可靠地相互通信，同時保持與 802.3at 和 802.3af 設(shè)備的互操作性。只需一根電纜，就能實現(xiàn) LTPoE++ PD 在 LTPoE++ PSE 上的“即插即用”，所有的信號交換均利用硬件自動地處理，無需軟件!。

　　最后，對于那些具有必需能支持一個輔助電源的 802.3bt PD (除了 PoE 以外，PD 還可選擇由一個電源適配器供電) 的用戶，示于圖 2 頂部的 LT4320 是一款 9V 至 72V 理想二極管橋控制器，其采用低損耗 N 溝道 MOSFET 替代了全波橋式整流器中的全部 4 個二極管，以顯著地降低功率耗散并增加可用電壓。由于電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器，因此可縮減電源和墻上變壓器的尺寸。另外，通過幾乎消除熱運(yùn)行二極管橋中固有的兩個完整二極管壓降 (~1.2V，在 12V 時為 10%) 提供了額外的裕度 (從而增加了應(yīng)用的儲備空間)，低電壓應(yīng)用亦能從中獲益。

　　結(jié)論

　　雖然 IEEE 802.3bt 距離最后敲定還有很長時間，但是隨著這個標(biāo)準(zhǔn)的主要方面開始塵埃落定，開發(fā)人員現(xiàn)在就可以信心十足地為這個市場開發(fā)產(chǎn)品。802.3bt 規(guī)范的 PD 類型、拓?fù)浜头旨壷С州^高的功率水平 (達(dá) 71.0W)，而新的 MPS 特征則在 PD 處于睡眠狀態(tài)時支持較低的待機(jī)功率。作為 PoE 技術(shù)的先驅(qū)和 IEEE 特別小組的積極成員，ADI憑借發(fā)布的 802.3bt 以及 LTPoE++ PD 和 PSE 控制器而持續(xù)地身處 PoE 技術(shù)的最前沿。是否利用這些可簡化設(shè)計、最大限度提高電源效率、盡量縮減尺寸和降低總體 BOM 成本的 IC，并率先成為 802.3bt 市場的供應(yīng)商，這由像您自己一樣精明博學(xué)的開發(fā)人員決定。