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搶占IEEE 802.3bt PoE++先機

電機控制設計加油站 ? 來源:未知 ? 作者:沈丹 ? 2019-03-01 15:57 ? 次閱讀

IEEE的以太網供電(PoE)新標準(也稱為PoE++)經過5年的開發,將于2018年末最終定稿。新標準的出臺促使供電設備(PSE)和受電設備(PD)開發人員競相研發新硬件,因為PoE++能夠為PD提供高達71.3 W功率,幾乎是之前標準25.5 W的3倍。PoE++允許通過千兆以太網在相同布線上傳輸52 V/1.7 A,從而為新一代的高耗電應用奠定基礎,包括熱門的戶外云臺變焦攝像機網絡或用于蜂窩或Wi-Fi通信的遠程基站和接入點。

圖1顯示基本的PoE框圖,其中一臺PD連接至PSE。現在802.3bt標準已最終定稿,PoE開發人員希望率先推出自己的PoE++設計。目前的挑戰就是要找到正式發布并經過認證的100%符合802.3bt標準的PSE和PD解決方案。別再四處尋覓了……

ADI公司作為PoE技術先鋒和IEEE 802.3bt工作小組成員,目前已推出PoE++ PD和PSE控制器,助PoE開發人員按照802.3bt標準最終版本完成設計。ADI公司推出的LTC4291-1/LTC4292 PoE++ PSE控制器芯片組和PoE++ PD控制器,有助于開發人員設計完整的端到端PoE++系統,并且經過現場試運行和驗證。我們將詳細介紹LTC4291-1/LTC4292芯片組的獨到之處,描述它如何支持IEEE最新的PoE標準,并快速回顧PoE++ PD產品的關鍵特性。

圖1. 以太網供電框圖。

LTC4291-1/LTC4292 PSE芯片組

LTC4291-1/LTC4292是隔離式4端口PSE控制器芯片組,專為PoE++系統而設計。圖2是LTC4291-1/LTC4292的簡化原理圖,顯示4個以太網端口中的一個是如何供電的。該芯片組采用集成隔離架構,其中LTC4291-1提供一個PSE主機隔離數字接口,而LTC4292則提供一個高壓以太網接口。IEEE 802.3以太網規范要求將網段(包括PoE電路)與底盤地和PHY進行電氣隔離。通過將LTC4291-1置于非隔離側,將LTC4292置于隔離側,可將多達6個昂貴的光耦合器和1個隔離電源替換為更便宜、更可靠的10/100以太網變壓器。這種拓撲結構不僅可以節省成本,還可以實現更穩定可靠和易于制造的PSE設計。

用戶可以通過I2C接口與LTC4291-1/LTC4292進行通信,并可根據應用選擇四種PSE工作模式(自動、半自動、手動或關斷)中的一種。LTC4291-1/LTC4292使用兩個通道(兩個柵極驅動器),通過RDS(on)低至40 mΩ的外部MOSFET控制電源路徑。使用外部MOSFET便于用戶選擇低RDS(on)的器件,以降低功耗并解除通道故障。使用0.15 Ω的檢測電阻還可以降低功耗。I2C接口可實現端口配置、端口狀態監控以及獲取端口電流、PoE電源電壓和端口功率的遙測讀數。

802.3bt引入了兩種不同的PD特征配置:單特征和雙特征PD。單特征PD(圖3)是在兩個線對(pairset)之間共用相同的檢測特征和分級特征的PoE++ PD。雙特征PD是在每個線對上都具有獨立特征的PoE++ PD;允許每個線對具有完全獨立的分級和功率分配。雙特征PD解決方案非常復雜,其成本是單特征PD的兩倍。

此外,值得注意的是,盡管共用一個相同的架構,802.3bt雙特征PD并不等同于先前標準的UPoE設備。LTC4291-1/LTC4292支持經過更新的PoE++ PD檢測過程,包含新的連接檢查子過程,以確定PSE連接哪種PD特征配置。

執行連接檢查后,LTC4291-1/LTC4292將開始驗證連接的PD是否符合IEEE標準。雖然IEEE要求PSE使用2點電壓或2點電流檢測方案之一來檢測有效PD特征(25 kΩ),但LTC4291-1/LTC4292通過同時采用兩種類型的檢測方案以實現更穩定可靠的方案。這種多點(多電壓和多電流)檢測機制可用來消除誤報,并可避免損壞未針對PoE直流電壓承受力而設計的網絡設備。

與先前PoE標準使用的傳統的2對導體(4根導線)相比,PoE++對4對導體(8根導線)供電以傳輸功率。這不僅能實現新的更高功率水平,而且由于電纜中的功率損耗減少了一半,因此使用更多導體可以提高舊有的低功率水平系統的效率。例如,為確保PoE+ PD可接收到25.5 W,需要為PoE+ PSE提供30 W功率,因為在100 m的CAT5E電纜上的損耗為4.5 W。采用PoE++標準為相同的25.5 W PD供電通常可將損耗降低至2.25 W以下,從而使總功率傳輸效率從85%提高至92.5%。考慮到全球PoE PD的數量,這意味著大幅降低功耗,在許多情況下,碳排放量可降低7.5%。

PoE++引入了四種新的大功率PD分級(Class),從而使單特征分級總數達到9個(如表1所示)。分級5至8是PoE++的新增分級,相當于40 W至71.3 W的PD功率水平。PSE仍然可選擇使用物理層(即用于71.3 W的5事件分級)或數據鏈路層(例如,鏈路層發現協議(LLDP))進行PD的分級,而且PD依然必須能夠支持兩種分級方案以與標準相符。請記住,因為每個線對在雙特征PD中獨立運行,所以每個線對都可以是不同的分級。例如,第一個線對上的Class 1 (3.84 W)和第二個線對上的Class 2 (6.49 W)將形成一個雙特征Class 1、Class 2 (10.3 W) PD。

圖2. LTC4291-1和LTC4292 PoE++ 4端口PSE芯片組的簡化原理圖。

PoE++ PD還可以實現物理層分級的一種可選擴展(稱為Autoclass),其中PoE++ PSE(如LTC4291-1/LTC4292)測量連接PD的實際最大吸取功率。這樣,利用這種電源管理功能,LTC4291-1/LTC4292可以將剩余的功率分配給其他燈泡(如果測量某個燈泡,由于較低的亮度設置或電纜較短,其功耗低于其分級功率)。

不言而喻,PoE++可向后兼容舊的25.5 W PoE+和13 W PoE標準。較低功率的PoE+或PoE PD可以連接至較高功率的PoE++ PSE(如LTC4291-1/LTC4292),這不會有任何問題。而且,當情況反過來時,即較高功率的PoE++ PD連接至較低功率的PoE+或PoE PSE時,PD可在經協商的較低功率狀態下工作,這被稱為降級。如果PD忽略降級并工作在其最高功率狀態,則高耗電的PD將導致PSE反復地接通,達到其電流限值,然后關斷,這實際上使PSE產生低頻寄生振蕩。因此,PoE+和PoE++都需要降級,但遺憾的是在許多實施方案中降級被忽視了。

PD實施

開發人員采用ADI公司的IC可最大限度地實現PoE++ PD性能。圖4顯示了帶有輔助輸入的高效單特征PoE++ PD接口的簡化框圖。該解決方案擁有高于94%的端到端(RJ-45輸入至PD負載)效率,并可在-40°C至125°C的溫度范圍內工作。

圖4中RJ-45接口上的LT4321是一款有源二極管橋控制器,可用來取代所需的二極管橋式整流器。LT4321采用低損耗N溝道MOSFET橋,可同時提高PD的可用功率并減少散熱量。PoE++要求PD在其以太網輸入端上能夠接受任何極性的直流電源電壓,因此LT4321可將來自兩組數據線對的電源進行平滑的整流,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,并且功率可降低10倍或更多,從而使PD能夠保持在分級功率預算之內,或者使PD能夠增加功能。

位于圖4中理想二極管橋控制器之后的是PD接口的“大腦中樞”LT4295,它是一款PoE++ PD接口控制器,集成了一個高效的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5事件分級和單特征拓撲支持所有9種PD分級。除了提供更多的PD功率之外,使LT4295優于傳統PD控制器的因素是其采用一個外部功率MOSFET以進一步地大幅降低總體PD散熱量并實現電源效率的最大化,由于PoE++標準的功率水平更高,因此這一點變得更為重要。

對于那些需要能夠支持輔助電源的PoE++ PD設計,PD可以選擇由電源適配器供電,圖4頂部所示的LT4320是一款9 V至72 V有源二極管電橋控制器,它采用低損耗N溝道MOSFET取代了全波橋式整流器中的全部4個二極管,以顯著降低功耗并增加可用電壓。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。通過幾乎消除熱運行二極管橋中固有的兩個完整二極管壓降(~1.2V,即12V的10%)提供了額外的裕量,從而增加了應用的儲備空間,低電壓應用亦能從中獲益。

圖3. 單特征與雙特征PD的拓撲結構。

圖4. 帶有輔助輸入的高效IEEE 802.3bt單特征PD接口的簡化框圖。

結論

PoE++標準的批準近在眼前,因此開發人員可以信心十足地為這個市場開發產品。PoE++標準的高功率水平高達71.3 W,具有豐富的電源管理新功能,開發人員可以利用這些功能創建更加動態和優化的系統。PSE開發人員應當感到慶幸,ADI公司剛剛發布的LTC4291-1/LTC4292 PSE 4端口芯片組穩定可靠并簡化了BOM。同時,PD開發人員可以在電纜的另一端繼續使用ADI公司的多款IC來減少散熱量并提高電源效率。


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