現(xiàn)在就實(shí)現(xiàn) IEEE 802.3bt 71W PoE 標(biāo)準(zhǔn)

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(kāi)發(fā)人員熱切盼望追隨下一波 IEEE 潮流，開(kāi)始通過(guò)以太網(wǎng)電纜提供更大功率，也就不足為奇了。不過(guò)，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(chǎng)所需。IEEE PoE 特別小組的最新時(shí)間表顯示，71W 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)直到 2018 年初都不會(huì)準(zhǔn)備就緒。從技術(shù)角度而言，這樣的等待時(shí)間太長(zhǎng)了，等待這么久意味著很容易錯(cuò)過(guò)商機(jī)或市場(chǎng)機(jī)會(huì)。那么，在這種情況下，PSE 和 PD 開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該怎么辦? 沒(méi)什么可說(shuō)的，當(dāng)然是現(xiàn)在就開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造設(shè)備!想讓產(chǎn)品率先進(jìn)入 802.3bt 市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)人員今天有凌力爾特公司的 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(kāi)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(chǎng)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(chēng)為 PoE+)，將最大 PD 功率級(jí)提高到 25.5W。到今天，人們預(yù)計(jì)，目前正在制訂中的修訂版 IEEE 802.3bt 草案標(biāo)準(zhǔn) 2.0 (也稱(chēng)為 PoE++ 或 4PPoE)，將為 PD 提供高達(dá) 71W 功率。

有了更大的功率，開(kāi)發(fā)人員就可以非常容易地增加更多功能并升級(jí)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(shí)，最初的 PoE 供電安防攝像頭僅是簡(jiǎn)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(lái)驅(qū)動(dòng)多種嵌入式電動(dòng)機(jī)，從而使安防攝像頭可以提供上下、左右移動(dòng)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(dòng)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(jí)有可能助力打開(kāi)全新市場(chǎng)。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(kāi)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(huì)。無(wú)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(lái)了更大的市場(chǎng)潛力。

對(duì) 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(duì) PoE”，因?yàn)?802.3bt 規(guī)范利用以太網(wǎng)電纜中的所有 4 根雙絞線以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 100m 的功率傳輸;在較舊的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)中，4 線對(duì)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(huì)和制造商正在猜測(cè)：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(chǎng)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 引入了兩種新型 PD 拓?fù)洌簡(jiǎn)翁卣骱碗p特征。單特征 PD 是在兩個(gè)線對(duì) (pairset) 之間共用相同的檢測(cè)特征、分級(jí)特征和維持功率特征 (MPS) 的 802.3bt PD，而雙特征 PD 則是在兩個(gè)線對(duì)之間具有獨(dú)立特征的 802.3bt PD。毫無(wú)疑問(wèn)，新的 802.3bt 設(shè)計(jì)將趨向于采用較為簡(jiǎn)單和更具成本效益的單特征拓?fù)?，該拓?fù)鋬H需要單個(gè) PD 接口。雙特征 PD 需要兩個(gè)并行 PD 接口 (每個(gè)線對(duì)各用一個(gè))，來(lái)自兩個(gè) PSE 的功率在每個(gè) PD 接口之后相加。例如，雙特征拓?fù)鋵?shí)質(zhì)上采用兩個(gè) 25.5W PD 以構(gòu)成單個(gè) 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(cè)過(guò)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?yàn)槿绱?，檢測(cè)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(jí) (Class)，從而使單特征類(lèi)別的總數(shù)達(dá)到 9 個(gè)，如表 1 所示。Class 5~8 對(duì)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(jí)) 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(jí)，而且 PD 依然必需能夠支持兩種分級(jí)方案以與標(biāo)準(zhǔn)相符。另外，802.3bt 還可以實(shí)現(xiàn)物理層分級(jí)的一種任選擴(kuò)展 (稱(chēng)為 “Autoclass”)，在此擴(kuò)展中一個(gè) 802.3bt PSE 測(cè)量一個(gè)連接 PD 的實(shí)際最大吸取功率。舉個(gè)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(gè)特定燈泡所吸取的功率低于其分級(jí)功率)。

表 1：IEEE 802.3bt PD 分級(jí)和功率水平

對(duì)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(chēng)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(gè)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(duì)較高的占空比在某些應(yīng)用中會(huì)迅速成為一項(xiàng)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(shí)。目前，802.3bt PD 僅需以 ~2% 的占空比維持一個(gè)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(lèi)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(jí) (功率水平)。然而，802.3bt 的新型 Type 3 和 Type 4 PD 就不是那么簡(jiǎn)單了。正如可從“PD 分級(jí)”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(jí)。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(gè) Class 5 單特征 PD 僅被分配了 40W，而一個(gè) Class 5 雙特征 PD 則被分配了 2 x 35.5W;在雙特征 PD 中會(huì)使情況更加糟糕，因?yàn)槊總€(gè)線對(duì)獨(dú)立地工作，每個(gè)線對(duì)有可能處于不同的分級(jí)，例如：第一個(gè)線對(duì)上的 Class 1 (3.84W) 和第二個(gè)線對(duì)上的 Class 2 (6.49W) 形成了一個(gè)雙特征 Class 1.2 (10.3W) PD。隨著雙特征 PD 的所有此類(lèi)分級(jí)重疊和非標(biāo)準(zhǔn)功率水平的激增，重要的是開(kāi)發(fā)人員和用戶等不再把 PD 類(lèi)型與 PD 分級(jí)等同起來(lái)，也不再把 PD 分級(jí)與 PD 功率水平視為同義。作為替代，明確地識(shí)別 PD 的特征拓?fù)浜头旨?jí)、并謹(jǐn)慎地檢查 PD “類(lèi)型” 的真實(shí)含義對(duì)每個(gè)人都將是最有益的。

表 2：IEEE 802.3bt PD 類(lèi)型和特性概要

不言而喻，802.3bt 可向后兼容 802.3at 和 802.3af。一個(gè)較低功率 802.3at 或 802.3af PD 可連接至一個(gè)較高功率 802.3bt PSE，這不會(huì)有任何問(wèn)題。而且，當(dāng)情況反過(guò)來(lái)的時(shí)候，即一個(gè)較高功率 802.3bt PD 連接至一個(gè)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(chēng)為“降級(jí)”。如果 PD 忽略降級(jí)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(shí)際上使 PSE 產(chǎn)生低頻寄生振蕩。因此，“降級(jí)”是 802.3at 和 802.3af 規(guī)范所要求的，但遺憾的是在許多實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn) PD 接口之 IC 的影響。此外，從事空間受限型設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)人員還痛苦地意識(shí)到怎樣限制 PD 的尺寸只會(huì)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，凌力爾特提供了三款專(zhuān)為實(shí)現(xiàn) 802.3bt PD 性能之最大化、也許更重要的是可簡(jiǎn)化工作任務(wù)而特別設(shè)計(jì)的 IC。圖 2 示出了具有一個(gè)輔助輸入的高效率單特征 802.3bt PD 接口的簡(jiǎn)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(jiǎn)化方框圖

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(gè)二極管橋式整流器 (圖 1)。LT4321 采用低功耗 N 溝道 MOSFET 橋以同時(shí)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(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)線對(duì)和空閑線對(duì)的電源進(jìn)行平滑的整流并將其整合為極性正確的單個(gè)電源輸出。由于電源效率提高實(shí)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(jí)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(gè)高效率正激式或無(wú)光耦合反激式控制器。LT4295 利用一個(gè)集成型 25kΩ 特征電阻、高達(dá) 5 事件分級(jí)檢測(cè)和一種單特征拓?fù)渲С炙?9 種 PD 分級(jí)和所有 4 種 PD 類(lèi)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(gè)外部功率 MOSFET 以大幅度地降低總體 PD 散熱量并實(shí)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，則可尋求凌力爾特 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(jí)方案，可使 LTPoE++ PSE 控制器與 LTPoE++ PD 控制器可靠地相互通信，同時(shí)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(shí)現(xiàn) LTPoE++ PD 在 LTPoE++ PSE 上的“即插即用”，所有的信號(hào)交換均利用硬件自動(dòng)地處理，無(wú)需軟件!。

最后，對(duì)于那些具有必需能支持一個(gè)輔助電源的 802.3bt PD (除了 PoE 以外，PD 還可選擇由一個(gè)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(gè)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(guò)幾乎消除熱運(yùn)行二極管橋中固有的兩個(gè)完整二極管壓降 (~1.2V，在 12V 時(shí)為 10%) 提供了額外的裕度 (從而增加了應(yīng)用的儲(chǔ)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(zhǎng)時(shí)間，但是隨著這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要方面開(kāi)始?jí)m埃落定，開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)在就可以信心十足地為這個(gè)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。802.3bt 規(guī)范的 PD 類(lèi)型、拓?fù)浜头旨?jí)支持較高的功率水平 (達(dá) 71.0W)，而新的 MPS 特征則在 PD 處于睡眠狀態(tài)時(shí)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，凌力爾特憑借發(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(jiǎn)化設(shè)計(jì)、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(chǎng)的供應(yīng)商，這由像您自己一樣精明博學(xué)的開(kāi)發(fā)人員決定。