【導(dǎo)讀】盡管這些年各種無線互連技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域攻城略地，出盡了風頭，但是在很多應(yīng)用場景中，有線互聯(lián)組網(wǎng)仍然不可替代。特別是以太網(wǎng)技術(shù)，憑借其可靠、安全、高速和成本優(yōu)勢，在視頻監(jiān)控、智能照明、樓宇控制等領(lǐng)域一直占據(jù)著重要的地位。
不過，以太網(wǎng)想要延伸到更多的應(yīng)用中，實現(xiàn)“無處不在”的目標，有個關(guān)鍵的問題必須解決，那就是聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電。與電池供電設(shè)備相比，通過以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備通常所需功率都較高，它們?nèi)绻纪ㄟ^110V/220V交流市電去取電，僅電源系統(tǒng)布線的成本就不是一個小數(shù)目。
隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，人們自然而然的會考慮是否可以利用以太網(wǎng)現(xiàn)有的空閑線路或信號線路去為終端接入設(shè)備供電？這樣一來，以太網(wǎng)在進行高速信號傳輸?shù)耐瑫r，還能提供直流電源，用戶只需將設(shè)備通過RJ-45接口接入以太網(wǎng)，即可實現(xiàn)“一網(wǎng)兩用”。這個概念就是以太網(wǎng)供電（PoE，Power over Ethernet）。
PoE標準進化史
PoE的想法固然好，但是想要成為一個可以大面積商用的技術(shù)，特別是要解決不同設(shè)備間兼容性的問題，就必須有標準的加持。IEEE 802.3就是這個定義了PoE各項技術(shù)規(guī)范的標準，它明確定義了PoE供電設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備（PD）的特性和交互關(guān)系。在過去的十多年間，IEEE 802.3標準已經(jīng)歷經(jīng)的三個版本的更迭，而貫穿其發(fā)展的一條主線，就是“不斷提升的供電功率”。
802. 3af（PoE）
第一代PoE的標準是2003年發(fā)布的IEEE 802. 3af，基于這一版標準，位于路由器、交換機和集線器的PSE設(shè)備可以通過以太網(wǎng)電纜向IP電話等PD設(shè)備提供不超過15W的直流功率。
802.3at（PoE+）
而隨著以太網(wǎng)接入設(shè)備的多樣化，15W的功率很快就遇到了“天花板”，這也就催生了第二代的PoE標準IEEE 802.3at。這個2009年發(fā)布的標準規(guī)定可以通過CAT-5或更高級別線纜提供最大約30W的功率，這個標準也被大家簡稱為PoE+。
802.3bt（PoE++）
在不斷發(fā)展的市場需求推動下，經(jīng)過近十年的醞釀，2018年9月第三版的PoE標準IEEE 802.3bt獲得批準。由于在以太網(wǎng)電纜的8根導(dǎo)線（4對導(dǎo)線）上都加載了電壓，新標準充分利用了網(wǎng)線的功率承載能力，將最大功率提升到90W。而且IEEE 802.3bt增加了兩種PoE設(shè)備類型（Type 3和Tyep 4）以及4種功率等級的定義，支持的PoE應(yīng)用更為豐富；Autoclass等新特性，讓供電的精確性和效率也上了一個臺階。雖然這一PoE新標準還未正式命名，但鑒于這些顯著增強的“能力”，人們習慣性地將其稱為“PoE++”。
圖1，IEEE 802.3bt標準系統(tǒng)原理框圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）
更智能的控制
如果我們仔細觀察IEEE 802.3bt，會發(fā)現(xiàn)新標準對未來PoE應(yīng)用開發(fā)的價值，不僅體現(xiàn)在功率范圍的提升，還在于更豐富而細致的功率分級，可以為不同功率要求的垂直應(yīng)用按需供電，確保可用能量和數(shù)據(jù)傳輸帶寬的最大化，在能效方面也會有更佳的表現(xiàn)。簡言之，新標準可讓PoE實現(xiàn)更為智能化的管理。
表1，PoE標準中功率等級定義
PoE系統(tǒng)中，電力傳輸通過PSE和PD之間的握手協(xié)議來管理——PSE會檢測PD是否支持PoE及其設(shè)備類型、所屬的功率等級，并根據(jù)這些信息為PD提供所需的電力。
一個典型的PoE協(xié)議過程包括四個部分：
檢測：PSE設(shè)備通過端口發(fā)出一個低電壓脈沖，以檢測網(wǎng)絡(luò)中接入的受電設(shè)備（PD）是否符合IEEE802.3標準要求。
分級：當PSE確認PD符合要求后，PSE會將輸出電壓進一步提高，用一個探測電壓來確認PD的功率等級——通常PD設(shè)備會在線路中串聯(lián)一個分級電阻，來標識自己的功率，PSE通過測試返回特征電流的大小來確定PD設(shè)備的功率等級。
供電：經(jīng)過上述的“對話”之后，PSE會向PD輸出滿足其所需的直流電。
維護：PSE會實時監(jiān)測供電功率，進行斷路檢測和單端口過載檢測：當PD超載或短路后，PSE供電會中斷并重新開始檢測過程；如果PD的連接斷開或關(guān)閉，PSE會停止為其供電。
上述PoE協(xié)議的管理，是通過一顆專門的PD控制器芯片來完成的，而IEEE 802.3bt新標準的實現(xiàn)，自然少不了符合新標準的PD控制器來支持。
符合新標準的PD控制器
為了滿足IEEE 802.3bt新標準的需要，安森美半導(dǎo)體今年9月推出了最新的PoE-PD控制器NCP1095和NCP1096，它們不僅支持新標準的所有規(guī)范要求，還向后兼容原有標準，同時支持將功率擴展到100 W，用于一些特定的電信和數(shù)字標牌應(yīng)用。
圖2，安森美推出符合IEEE 802.3bt的PoE-PD控制器（來源：安森美半導(dǎo)體）
NCP1095和NCP1096還支持IEEE 802.3bt新增的Autoclass能量管理特性，讓PD能夠?qū)⑵涮囟ǖ墓β市枨髠鬟f給PSE，以實現(xiàn)PoE系統(tǒng)更精準的控制。當NCP1095或NCP1096的Autoclass功能被激活時， PSE開始向PD供電，系統(tǒng)將在1.35秒內(nèi)達到其功率等級規(guī)定最大的功率水平，并將這個最大的負載功率保持至少3.65秒，在這個過程中PSE將檢測PD的實際功率消耗，并據(jù)此向PD分配相應(yīng)的功率。
圖3，Autoclass工作過程（來源：安森美半導(dǎo)體）
此外，為了進一步提升集成度和系統(tǒng)功效，NCP1096還集成了N通道MOSFET負載開關(guān)，可在輔助電源為PD供電時改善功效表現(xiàn)。
圖4，NCP1095系統(tǒng)框圖（來源：安森美半導(dǎo)體）
圖5，NCP1096系統(tǒng)框圖（來源：安森美半導(dǎo)體）
其他PoE-PD控制器需要的特性，NCP1095和NCP1096在產(chǎn)品定義中也考慮得很周全。其主要的性能特點歸納如下：
● 完全符合IEEE 802.3bt、IEEE 802.3af和IEEE 802.3at標準
● 保證PoE設(shè)備之間的互操作性
● 最多支持5事件物理層分類
● 分配功率高達90W
● 采用內(nèi)部71mΩ傳輸晶體管，支持大功率應(yīng)用
● 連接輔助電源時，有源電橋和熱插拔FET功能禁用，從而提高了功效（僅限NCP1096）
● 支持Autoclass操作
● 浪涌電流限制：135mA（典型值）
● 開漏電源良好指示器
● 支持簡短的MPS
● 支持開關(guān)禁用輸入以進行后輔助電源操作
● 專有的100W+應(yīng)用
● 過流保護
● 過熱保護
● 結(jié)溫范圍：-40°C至+125°C
● 封裝類型：TSSOP-16
● 無鉛，符合RoHS指令
完整的方案
當然，為了快速響應(yīng)最新的PoE標準，在市場中占據(jù)領(lǐng)跑位置，安森美半導(dǎo)體除了PD控制器，還配以DC-DC控制器、MOSFET等產(chǎn)品形成了一整套IEEE 802.3bt解決方案。該方案可有效替代傳統(tǒng)的PoE應(yīng)用中的二極管橋方案，實現(xiàn)更大的功率（標準90W，專用100W）和更高的能效。
圖6，基于NCP1096的IEEE 802.3bt以太網(wǎng)供電完整解決方案（來源：安森美半導(dǎo)體）
安森美半導(dǎo)體802.3bt PoE方案核心元器件
● NCP1095或NCP1096 PD控制器
● NCP1566 DC-DC控制器
● FDMC8622單MOSFET、FDMQ8203和FDMQ8205A GreenBridge™四通道MOSFET
根據(jù)IHS Markit的分析，2017年到2022年間，以太網(wǎng)供電市場將保持14%的年復(fù)合增長率，可以說是當今功率半導(dǎo)體發(fā)展最快的市場之一。IEEE 802.3bt這一PoE新標準的出臺，會讓更多基于以太網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成為可能，令聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功能得以加強。
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出處：貿(mào)澤電子公眾號
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