在過程自動化系統(tǒng)中，必須監(jiān)測和測量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數(shù)。在工業(yè)4.0時代，以太網(wǎng)是通用通信標準。由于以太網(wǎng)是有線網(wǎng)，而發(fā)送器和傳感器通常需要電源，這樣問題就來了：為何不使用以太網(wǎng)電纜同時進行數(shù)據(jù)傳輸和供電？

本文介紹以太網(wǎng)設備如何同時使用電纜傳輸數(shù)據(jù)和供電。以太網(wǎng)供電(PoE)系統(tǒng)在工業(yè)中廣泛使用，未來也將發(fā)揮重要的作用。

PoE標準

通過Cat-5電纜供電在IEEE 802.3af以太網(wǎng)供電標準中進行了定義。PoE標準以前限制在幾瓦以內(nèi)，但更新的PoE技術(shù)可實現(xiàn)更高的功率。例如，PoE+允許每端口功率高達25 W，而PoE++（四 對以太網(wǎng)供電系統(tǒng)）通過使用現(xiàn)有電纜的所有電線允許70 W到100 W的功率。與此PoE標準并行的是ADI公司定義的專有標準 LTPoE++，該標準定義高達90W的受電設備(PD)功率規(guī)范（請參見表1）。

表1. ADI的最新PoE標準

LTPoE++ 降低了PoE系統(tǒng)與類似解決方案相關的技術(shù)復雜性。即插即用功能、易于實現(xiàn)和安全可靠的電源是LTPoE++的其他特性。此外，LTPoE++還可與IEEE的標準PoE規(guī)范互操作和向后兼容。但是，由于系統(tǒng)損耗和電纜損耗，實際可用功率略低于指定的PD功率，PoE+和PoE++也是如此。

PoE組件

通過以太網(wǎng)電纜給設備供電主要需要兩個組件：受電設備和供電設備(PSE)。

圖1. 顯示PoE系統(tǒng)的主要組件的方框圖。

PSE負責像電源一樣供電，而PD接收并使用功率（負載）。PSE設備在通電時有一個簽名過程，以保護不兼容設備在連接時不受損壞。這涉及先檢查PD的簽名電阻。僅當此值正確時(25kΩ)， 才會為PD供電。如果PSE檢測到PD，會先開始分類；即確定連接設備的電源要求。為此，PSE將施加規(guī)定電壓并測量產(chǎn)生的電流。然后根據(jù)電流電平將PD分配至一個功率等級。如果一切正常，將供應全部電壓和電流。一旦為PD供電，PD就要負責將–48 V的PoE電壓轉(zhuǎn)換為適合終端設備的電源電壓。在典型的PD設計中，使用一個附加DC-DC轉(zhuǎn)換器（二極管橋控制器）。該DC-DC轉(zhuǎn)換器負責調(diào)整或覆蓋PD提供的組件的電源要求。更新的IC已經(jīng)能夠?qū)?a target="_blank">接口和DC-DC轉(zhuǎn)換器集成到一個低功率等級的組件中，這就簡化了設計。

根據(jù)IEEE 802.3 PoE規(guī)范，PD必須通過其以太網(wǎng)輸入接受任何極性的直流工作電壓，因此PD的輸入前端需要兩個二極管橋。因此，不管使用什么線對，PD也都可以使用反極性工作。

PD實現(xiàn)變得簡單

在ADI的LT4276中，存在符合LTPoE++-, PoE+-和PoE標準、具有集成隔離式開關穩(wěn)壓器的PD控制器。它可以同時用于正激和反激拓撲，以及2 W至90 W的功率等級。與較低功率等級的傳統(tǒng)PD控制器不同（它也有集成功率MOSFET），LT4276提供驅(qū)動外部MOSFET的選項。通過這種方式，PD減少了損耗，提高了效率。

由于IEEE 802.3以太網(wǎng)規(guī)范要求從設備外殼的接地處進行電氣隔離，LTC4290/LTC4271 隔離式控制器芯片組適合用作PSE。LTC4271代表非隔離側(cè)PSE主機的數(shù)字接口，而LTC4290在隔離側(cè)提供以太網(wǎng)接口。這兩個組件通過簡單的以太網(wǎng)變送器連接。通過這種可靠的PSE芯片組設計，可避免使用產(chǎn)生隔離電源的附加組件。

如果用理想二極管替換PD側(cè)全橋整流器的兩個二極管，可提高整個PoE系統(tǒng)的功率和效率。因此，就像對待典型二極管一樣使用和控制MOSFET。通過這種方式，由于低通道電阻(RDS(ON))。正向電壓大幅降低。將LT4321理想二極管電橋控制器和LT4295 PD控制器結(jié)合，可以全橋配置控制四個MOSFET（參見圖3）。

圖2. PoE電路示例。

圖3. 傳統(tǒng)二極管整流與通過二極管電橋控制器驅(qū)動。

借助PoE，可在為以太網(wǎng)設備供電的同時通過RJ45電纜進行實際數(shù)據(jù)傳輸。ADI開發(fā)了自己的專有標準LTPoE++，該標準支持高達90W的功率，與傳統(tǒng)PoE標準并行。LTPoE++提供的可靠、端到端、高功率PoE解決方案簡化了電源和設計。

新的Chronous產(chǎn)品系列是ADI創(chuàng)新工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品系列。它包括實時以太網(wǎng)交換機、PHY、協(xié)議處理產(chǎn)品，以及完整的網(wǎng)絡接口產(chǎn)品。ADI推出兩個可靠的工業(yè)以太網(wǎng)PHY新產(chǎn)品ADIN1300（速率范圍為10 Mbps至1 Gbps）和ADIN1200（速率范圍為10 Mbps至100 Mbps），由此擴大了Chronous產(chǎn)品系列。通過將這些新的PHY和ADI的PoE技術(shù)相結(jié)合，Chronous產(chǎn)品系列實現(xiàn)了出色的系統(tǒng)級電源和數(shù)據(jù)解決方案。

審核編輯：湯梓紅