互聯的設備依賴于兩個核心功能，即通信回傳和電源。對于物聯網（IoT）設備，經常會出現三個核心問題：電源、通信和安全性。像 WiFi 這樣的無線技術已在市場上引起了人們的關注多年，但卻為這三個問題困擾。無線電池供電的設備需要定期充電，WiFi 的頻段飽和。這是當今兩個常見的問題。較大的功率需求需要主電源連接，這使安裝點復雜并受到限制。

以太網供電（PoE）經現有以太網基礎設施提供靈活性、可靠性、安全性和電源來解決這些問題。自從 2003 年由 IEEE 首次發布以來已取得了飛躍性的發展。最新的 IEEE 802.3bt 批準使其成為市場上的佼佼者，通過 Cat5 / Cat6 電纜提供 10G-BASE-T 和 60W 至 90W 的功率。

提升的功率

最初，Type 1 電源設備（或 PSE）只能提供最高 15.4 W 的功率，Type 2 增加了一倍，達到 30 W。現在，2018 年 9 月發布的 Type 3 和 Type 4 的功率分別達到 60 W 和 90 W。這打開了啟用互聯設備世界的大門，這些設備包括無線和蜂窩基站、平移傾斜變焦（PZT）和半球攝像機、電視、交互式顯示器和信息站。單根低壓電纜同時配以專用高速通信，使布線更少，是物聯網（IoT）和工業物聯網（IIoT）的智能樓宇維護和安裝的理想選擇。

以太網供電是有線通信和供電系統，使用現有的以太網網絡為端點設備供電。在這些系統中，電源設備（PSE）經由八根電線提供電源，這些電線布置成四對雙絞線（Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a）電纜，采用 RJ45 型連接器連接到受電設備（PD）。PSE 向端點提供高達 57 V 的電壓。由于該電壓小于 60 V，因此符合安全特低電壓指令（SELV），使電氣安全，并且不需要有資質的電工或掩埋電纜，從而簡化了安裝和維護。該標準將每個端口的功率限制為 90W，使這成為以太網電纜傳輸的最大功率。

該標準最初定于 2017 年發布，在正式發布之前不斷更新，以確保與以前的版本兼容。PoE 規范的最新更新 IEEE 802.3bt 引入了 Type 3 和 Type 4 電源設備（PSE）和受電設備（PD）。為了提供更高的電流，新標準允許同時使用兩種功率模式（模式 A 和模式 B），通常稱為 4 對或 4PPOE，經由 4 對而不是 Type 1 和 Type 2 供電。

添加的 3 類，即 5 至 8 類，具有改進的相互識別過程和自動分類功能。此更新還帶來了更低的待機功耗，并支持 10G-BASE-T 和 PoE。

用 PoE 設計

設計受電設備時，要考慮許多功能，包括運行模式、PD 檢測和分類。為了避免損壞非 PoE 設備，PSE 必須在提供電源之前檢測是否已連接受電設備。使用有效特征檢測 PD 模式，并在受電設備中使用 25kΩ電阻去實施。當 PSE 提供兩個連續的電壓（V1 = 2.7 V 和 V2 = 10.1 V）用于電阻檢測時，它記錄電流值，確定 PD 的存在，然后激活為設備供電。圖 1 描繪了啟動期間的電阻檢測階段。

啟動階段的波形

在分類階段，確定受電設備的最大功率要求。連接到 PD 的 PoE 控制器的另一個電阻指示功率范圍。表 1 顯示了單特征 PD 的不同類別及其最大平均功率。類別不要與 Type 混淆，它涉及所連接設備的特定功率。在 IEEE 802.3af / at（Type 1 和 Type 2 設備）中，使用了單特征 PD。IEEE 802.3bt 添加了雙特征 PD，其中每種模式或替代方案（A 和 B）使用單獨的輸入橋式整流器和 PD 控制器。

可選的分類擴展是自動分類。在“自動分類”中，PSE 會測量特定時間段內連接的 PD 的功耗，從而可以確定 PD 所需的最大功率。自動分類絕不會使用雙特征 PD 來實現。

列出了新類別和類型在受電設備接收到的功率以及每種類型支持的模式。

表 1：單特征 PD 的最大平均功率

一旦檢測到受電設備并確定了類別，它就必須保持電源特征。對于 Type 1 和 Type 2 設備，所需的最小功率特征為 10mA，占空比為 20％。為了使端口保持激活狀態，浪費了至少 2.31 mA 的平均電流。在 50 V 時，達到 115 mW，在更大的部署中很快地相加。對于 Type 3 和 Type 4 供電設備，占空比降低到 1.875％，這使得每個設備的功率小于 10 mW，從而使待機功耗降低了 90％。

在網絡上存在大量設備的互聯照明應用中，嚴格要求 MPS。即使對無線回傳、Wi-Fi 接入點和安防攝像頭等始終在線的設備來說，它也是必需的，即使不那么關鍵。

PoE 模式

功率分配分為三種模式：模式 A、模式 B（也稱為替代 A 和替代 B）和 4 對。對于 10BASE-T / 100BASE-TX，在模式 A 下，電源與數據對 1-2 和 3-6 同時傳送。模式 B 由備用對 4-5 和 7-8 供電。在 1000BASE-T 應用（四對）中，模式 A 和模式 B 的電力也同時由 4 對傳輸。使用標準以太網變壓器的中心抽頭提取共模電壓，然后 DC - DC 轉換器為系統提供穩定的輸出電壓。

圖 2 所示是 Type 1 和 Type 2 應用的模式 A 和模式 B 供電。圖 3 描繪了 Type 3 和 Type 4 中 4 對模式的接線。

圖 2：模式 A 和模式 B PoE 功率傳輸

圖 3：4 對 PoE 功率傳輸

在設計使用 PoE 的設備時，考慮互連電纜很重要。以太網的電纜長度最大為 100 m，它具有直流電阻，同時會降低電壓并因發熱而耗散功率。5 類或 Cat5 電纜是以太網網絡中使用的雙絞線電纜，用于在 PoE 網絡中供電。它支持高達 100 Mhz，適用于 10/100 / 1000BASE-T。類別 6 或 Cat6 是對 Cat5 電纜的改進，并支持高達 500 Mhz，適用于 10GBASE-T 以太網速度。

一根 100m 的 Cat5 電纜的直流電阻為 12.5Ω，其中 Cat6 的電纜每 100m 的直流電阻為 7Ω。傳輸損耗隨著差分對中電流的增加而增加。在 25 W PD 的典型輸入電壓為 50 V 的情況下，電流為 0.5A。這在 Cat5 中的傳輸損耗總計為 2.5 W，在 Cat6 中的傳輸損耗總計為 1.75 W，這些損耗因發熱而耗散。對于 90 W 的設備，此傳輸損耗在四對之間共享，每對為 930 mA，PSE 至少為 52V。在 Cat5 中為 17.30 W，在 Cat6 中為 2x6.05W。這表明 Cat5 對于任何應用都是足夠的和安全的。

聯接

安裝時應仔細考慮布線。必須計算電纜長度和設備電源之間的折衷，以提高能效和降低電纜損壞的風險。

Diode Bridge：二極管橋

Total Solution Size：總方案尺寸

圖 4：GreenBridge?方案對比二極管橋

受電設備控制器進行轉換，并通過附加的 DC - DC 轉換器調節 PD 側的輸入電壓。二極管橋是用于典型 PoE 設備的一種低成本方案。這些在低功率設備上就足夠了，但是隨著功率的增加，這方案變得有問題。在 25.5 W，最小 42.5 V 的情況下，估計 0.6 A 電流流經二極管橋。每個二極管的正向電壓為 0.7 V，每個二極管的功率損耗為 420 mW。對于 90 W 系統，現在的電流為 3.7 A，每個二極管的功率損耗為 2.59W。

MOSFET 方法比常規二極管橋改善了導通損耗和能效。安森美半導體的第一代 GreenBridge 系列集成雙 P 溝道和雙 N 溝道 MOSFET（FDMQ8203）系列提供緊湊且熱增強的表面貼裝封裝，可以很好地解決此問題。導通損耗與 MOSFET 的 RDS（ON）值有關。對于 25 W 系統，在 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 的 RDS（ON）分別為 110mΩ和 190mΩ的情況下，計算出耗散功率為 115 mW。這是二極管電橋功耗的四分之一。在 90W 的示例中，3.7 A 的導通損耗為 354 mW，低至二極管方案的 13％。這節省看似相對較小，但是在使用數百個 PoE 傳感器的樓宇管理系統中，這差異可能是顯著的。

第二代 Quad MOSFET 方案（FDMQ8025A）提供更高的額定功率、高能效的橋式整流器以及必要的門極驅動器，采用與第一代相同的小 MPL 4.5 x 5mm 封裝，，和小得多的 RDS（ON），N 溝道 MOSFET 僅 35mΩ，P 溝道 MOSFET 僅 76mΩ。

Power Current Path：電源電流路徑

Gate Current Path：門極電流路徑

圖 5：GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET 方案

安森美半導體還提供 PoE-PD 接口控制器，任何設備都可成為兼容 802.3af / at 和 -3bt 的受電設備。NCP1095 和 NCP1096 接口控制器含在 PoE 系統中運行所需的所有功能，如浪涌階段的檢測、分類、自動分類和電流限制。兩個控制器采用內部 / 外部傳輸晶體管，支持高達 90 W 的功率。它們還指示何時可以實施簡短的維持電源特征。附加的輔助電源檢測支持由 PoE 或墻式適配器供電。

NCP1095GEVB 和 NCP1096GEVB 評估板使設計工程師可以快速評估兩個控制器的運行，然后實施有助于設計過程的物理設計。它們包括 GreenBridge2 有源橋、RJ45 連接器和局域網（LAN）變壓器。

圖 6：NCP1095GEVB / NCP1096GEVB 評估板

總結

最新批準的 IEEE 802.3bt 以太網供電標準為更多耗電設備打開了市場，為性能更高的應用開啟了大門。功耗的增加帶來了新的挑戰，可以采用安森美半導體的精妙的 PoE-PD 方案來解決，該方案集成 GreenBridge 有源橋 Quad MOSFET 和易于實施的 PoE-PD 控制器。這些降低了新產品的風險并縮短了上市時間，使以太網供電成為物聯網領域的重要市場競爭因素。
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