【導讀】IEEE新推出的以太網(wǎng)供電(PoE)標準，也被稱(chēng)為PoE 2或802.3bt（以前稱(chēng)為PoE++），從推出至今剛滿(mǎn)3年，但其應用勢頭比過(guò)去更為強勁。雖然因為受到2019年新冠肺炎疫情(COVID-19)的影響，遠程工作的數量增加，但每年部署的以太網(wǎng)供電端口數量也在持續增加。雇主利用空下來(lái)的桌椅，升級IT基礎設施，打造面向未來(lái)的工作場(chǎng)所，希望最終能夠座無(wú)虛席。要創(chuàng )建智能辦公室，就需要在辦公室內配備多臺連接至互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設備，包括會(huì )議室標牌、電話(huà)會(huì )議設備和各種傳感器。智能辦公室具有諸多優(yōu)勢，包括節能、簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)運營(yíng)，或許更重要的是，提高員工在工作場(chǎng)所的安全性。新冠肺炎疫情只是加快凸顯了我們對可管控的樓宇暖通空調(HVAC)系統和大量非接觸式公共物品的需求，促使設施和IT經(jīng)理開(kāi)始協(xié)作部署支持PoE的系統。根據650 Group市場(chǎng)研究公司的數據，到2025年，全球交換機/PoE端口的出貨量預計將超過(guò)1.5億。
PoE 2在2018年獲得批準時(shí)，可以為通電設備(PD)提供高達71.3 W功率，將近之前標準(25.5 W)的3倍。PoE 2可以通過(guò)相同的千兆以太網(wǎng)電纜傳輸電源，為過(guò)去、如今和未來(lái)的許多需要大量功率和數據的應用奠定基礎，包括用于在人員進(jìn)入工作場(chǎng)所之前，在入門(mén)位置對人員實(shí)施新冠肺炎篩查的遠端溫度監測系統和紅外攝像頭。
圖1顯示基本的PoE框圖，其中一臺PD連接至供電設備(PSE)。對于過(guò)去的幾代PoE，一個(gè)電源通道就足以為每個(gè)PoE端口供電。經(jīng)過(guò)快速發(fā)展，現在，到了802.3bt，每個(gè)端口需要配備兩個(gè)電源通道，以實(shí)現中等和高電平，此外，可能還需要考慮提高每個(gè)通道的功率密度。在全球以太網(wǎng)市場(chǎng)中，支持PoE的端口的數量在不斷增加。受上述所有因素影響，IT部門(mén)需要部署大量高功率密度、高端口數量的系統，所有這些系統都要求達到99.999%（5個(gè)9）的正常運行時(shí)間和可靠性。我們需要一種真正可擴展的PoE子系統來(lái)簡(jiǎn)化高端口數量、支持PoE的交換機的部署，這種需求由來(lái)已久。
圖1.以太網(wǎng)供電框圖
圖2.LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 24端口PSE芯片組的簡(jiǎn)化原理圖。
ADI公司作為PoE領(lǐng)域的帶頭人、IEEE 802.3bt Task Force的成員，以及以太網(wǎng)聯(lián)盟的活躍成員，長(cháng)期以來(lái)一直在提供出色的PSE和PD控制器，為如今部署的數以百萬(wàn)計的端口貢獻了自己的力量。剛剛發(fā)布的ADI LTC9101、LTC9102和LTC9103高端口數量的PSE芯片組和ADI的PoE 2 PD控制器讓開(kāi)發(fā)人員能夠提供完整的端到端PoE 2系統。我們來(lái)深入研究一下為何這款新平臺在如今的市場(chǎng)中地位特殊。
基于平臺的PSE設計方法
現代的交換芯片是非常復雜的系統，常常會(huì )面對非常嚴苛的環(huán)境條件，包括浪涌和電纜放電，且必須提供出色的系統可靠性和正常運行時(shí)間。過(guò)去的PSE架構方法是在組件層級審查PSE子系統設計，重點(diǎn)關(guān)注增量組件改進(jìn)，而這些改進(jìn)并不一定會(huì )優(yōu)化整體系統性能。若從更高層級審查PSE子系統，將迫使ADI公司的設計團隊開(kāi)始重新思考PSE范例，并提供系統級解決方案。LTC9101/LTC9102/LTC9103和未來(lái)的衍生產(chǎn)品將采用這種系統級方法，將數字和模擬組件組合起來(lái)，以解決系統集成商面臨的PSE挑戰，包括表1中列出的挑戰。
表1.PSE系統級挑戰和解決方案
LTC9101/LTC9102/LTC9103屬于自隔離PSE控制器芯片組的一部分，基于襯底，專(zhuān)為PoE 2系統設計。圖2顯示簡(jiǎn)化的原理圖，以及如何為多達48個(gè)以太網(wǎng)端口中的一個(gè)端口供電。芯片組具有新特性，它們支持集成式隔離。所以，在芯片組架構中，LTC9101為PSE主機提供隔離數字接口，而多個(gè)LTC9102和/或LTC9103提供高壓模擬以太網(wǎng)接口。802.3以太網(wǎng)規范要求將網(wǎng)段（包括PoE電路）與底盤(pán)地和PHY進(jìn)行電氣隔離。通過(guò)將LTC9101置于非隔離側，將LTC9102或LTC9103置于隔離側，可將多達6個(gè)昂貴的光耦合器和1個(gè)隔離電源替換為更便宜、更可靠的10/100以太網(wǎng)變壓器。這種拓撲結構不僅可以節省成本，還可以實(shí)現更穩定可靠和易于制造的PSE設計。
這種可擴展的解決方案支持靈活實(shí)施大型PSE系統，端口數量從4個(gè)到48個(gè)，具體由每個(gè)端口需要多少功率來(lái)決定。每個(gè)設計至少需要一個(gè)LTC9101數字控制器和一個(gè)或多個(gè)LTC9102/LTC9103模擬控制器。
● LTC9102提供12個(gè)電源通道，每個(gè)通道為以太網(wǎng)電纜中的4個(gè)電纜對中的2對供電，為12個(gè)30 W端口（每個(gè)端口使用一個(gè)電源通道）到6個(gè)90 W端口（每個(gè)端口使用兩個(gè)電源通道）供電。
● 同樣，LTC9103提供8個(gè)電源通道，可用于為8個(gè)30 W端口到4個(gè)90 W端口供電。
● 單個(gè)LTC9101可以管理多達4個(gè)LTC9102和/或LTC9103，它們可以混合和匹配使用。例如，可以使用1個(gè)LTC9101、1個(gè)LTC9102和2個(gè)LTC9103來(lái)構建24端口PSE，包含4個(gè)90 W端口和20個(gè)30 W端口，如圖3所示。
圖3.LTC9102/LTC9103混合/匹配實(shí)現示例：24端口PSE，包含4個(gè)90 W端口和20個(gè)30 W端口
IT和設施經(jīng)理都很喜歡LTC9101的第六代數字功能，包括用于存儲固件更新的內部eFlash和自定義用戶(hù)配置包、向后兼容LTC4291 4端口PoE 2 PSE驅動(dòng)器，以及I2C串行接口。LTC9101的現場(chǎng)可升級固件映像存儲在專(zhuān)用的閃存分區中，在該位置預先配置了符合IEEE 802.3at/bt標準的固件映像。在單獨的ECC和CRC保護措施下，維護固件映像的兩個(gè)完整副本，以最大限度保護數據。在成功啟動(dòng)芯片組之后，用戶(hù)可以配置并通過(guò)LTC9101的I2C接口與芯片組通信，每個(gè)端口可以單獨配置為四種PSE操作模式（自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)或關(guān)斷）中的一種，且可以使用端口電流、PoE電源電壓和端口電源等的遙測讀數來(lái)管理系統電源。
LTC9101是芯片組的核心，LTC9102/LTC9103則是枝干，通過(guò)多種方式保證高壓電源路徑的高效率和耐用性。每個(gè)LTC9102/LTC9103電源通道都采用專(zhuān)用的檢測和分級硬件。這使得所有端口都能夠同時(shí)檢測、分級和上電，從而大幅降低交換芯片中的上電延遲。其他不太先進(jìn)的PSE容易受到PD等明顯的延遲影響；例如，LED以串行端口為基礎供電。LTC9102/LTC9103使用外部MOSFET控制每個(gè)電源通道，所以用戶(hù)可以選擇低RDS(ON)器件，以降低功耗并解除通道故障。使用0.1 Ω檢測電阻有助于進(jìn)一步降低功耗。
在發(fā)生過(guò)電流故障或端口短路時(shí)，LTC9102/LTC9103在~1 μs內快速斷開(kāi)電源，以保護PSE、MOSFET和后端電路。此外，所有面向端口的引腳可以承受高達+80 V或低至–20 V的電壓瞬變事件，不會(huì )造成損壞。芯片組能夠根據IEC 61000-4-5浪涌抗擾度規范，盡可能采用較少的外部器件，在超過(guò)±6.5 kV的浪涌下運行，這一特性非常不錯（DC3160演示板顯示了此特性）。在發(fā)生故障之后，LTC9102/LTC9103能夠以限流的方式快速安全地重新開(kāi)啟MOSFET，盡量減少對PD的中斷，這是盡量延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )正常運行時(shí)間的關(guān)鍵。
PoE 2拓撲、檢測方案和功率分級
PoE 2引入了兩種不同的PD特征配置：?jiǎn)翁卣骱碗p特征PD。單特征PD（圖4）是在兩個(gè)線(xiàn)對(pairset)之間共用相同的檢測特征和分級特征的PoE2 PD PD。雙特征PD是在每個(gè)線(xiàn)對上都具有獨立特征的PoE 2 PD，允許每個(gè)線(xiàn)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。值得注意的是，盡管共用一個(gè)相同的架構，802.3bt雙特征PD并不等同于先前標準的UPoE設備。LTC9101/LTC9102/LTC9103支持可靠的PoE 2 PD檢測過(guò)程，包含新的連接檢查子過(guò)程，以確定PSE連接哪種PD特征配置。
除了進(jìn)行連接檢查外，器件還需驗證連接的PD是否是符合IEEE標準的PD。雖然IEEE要求PSE使用2點(diǎn)電壓或2點(diǎn)電流檢測方案之一來(lái)檢測有效PD特征(25 kΩ)，但LTC9101/LTC9102/LTC9103通過(guò)同時(shí)采用兩種類(lèi)型的檢測方案以實(shí)現更穩定可靠的方案。這種多點(diǎn)（多電壓和多電流）檢測機制可用來(lái)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(wǎng)絡(luò )設備。
PoE 2為兩對導體（4線(xiàn)）供電，以提供高達25.5 W的功率，為四對導體（8線(xiàn)）供電，以提供高達71.3 W的功率。這不僅能實(shí)現更高功率水平，而且由于在所有導體通電后，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 1 PD可接收到25.5 W，需要采用PoE 1 (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。四對導體通過(guò)PoE 2為相同的25.5 W PD供電，通?？蓪p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％?？紤]到全球PoE PD的數量，這意味著(zhù)大幅降低功耗，在許多用例中，碳排放量可降低7.5％。
圖4.單特征與雙特征PD的拓撲結構
PoE 2引入四種新的大功率PD分級，從而使單特征分級總數達到9個(gè)（如表2所示）。分級5至8是PoE 2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（即鏈路層發(fā)現協(xié)議，LLDP）進(jìn)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(gè)線(xiàn)對在雙特征PD中獨立運行，所以每個(gè)線(xiàn)對都可以是不同的分級。例如，第一個(gè)線(xiàn)對上的Class 1 (3.84 W)和第二個(gè)線(xiàn)對上的Class 2 (6.49 W)將形成一個(gè)雙特征Class 1和Class 2 (10.3 W) PD。
表2.PoE 2 PD分級和功率水平
PoE 2 PD還可以實(shí)現物理層分級的一種可選擴展（稱(chēng)為Autoclass），其中PoE 2 PSE（如LTC9101/LTC9102/LTC9103）芯片組測量連接PD的實(shí)際最大吸取功率。這樣，利用這種電源管理功能，可以將剩余的功率分配給其他燈泡（如果測量某個(gè)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 2可向后兼容舊的 25.5 W 和13 W PoE 1標準。較低功率的PoE 1 PD可以連接至較高功率的PoE 2 PSE，這不會(huì )有任何問(wèn)題。而且，當情況反過(guò)來(lái)時(shí)，即較高功率的PoE 2 PD連接至較低功率的PoE 1 PSE時(shí)，PD可在經(jīng)協(xié)商的較低功率狀態(tài)下工作，這被稱(chēng)為降級。如果PD忽略降級并工作在其最高功率狀態(tài)，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(guān)斷，這實(shí)際上使PSE產(chǎn)生低頻寄生振蕩。因此，PoE 1和PoE 2 PD都需要降級，但遺憾的是在許多實(shí)施方案中降級被忽視了。
非常高效的PD
ADI提供大量獨特的IC，包括Maxim Integrated（現已成為ADI的一部分）設計的那些IC，以盡可能提高PoE 2 PD的性能。圖3顯示了帶有輔助輸入的高效單特征PoE 2 PD接口的簡(jiǎn)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℃至125℃的溫度范圍內工作。
圖5中RJ-45接口上的LT4321是一款有源二極管橋控制器，可用來(lái)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(shí)提高PD的可用功率并減少散熱量。PoE 2要求PD在其以太網(wǎng)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(lái)自?xún)山M數據線(xiàn)對的電源進(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，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。
圖5所示的理想二極管橋控制器是PD接口的“大腦中樞”，LT4295是一款PoE 2 PD接口控制器，集成了一個(gè)高效的正激式或無(wú)光耦合反激式控制器。LT4295利用一個(gè)集成型25 kΩ特征電阻、高達5事件分級和單特征拓撲支持所有9種IEEE PD分級。除了提供更多的PD功率之外，使LT4295優(yōu)于傳統PD控制器的因素是其采用一個(gè)外部功率MOSFET以進(jìn)一步地大幅降低總體PD散熱量并充分提高電源效率，由于PoE 2的功率水平更高，因此這一點(diǎn)變得更為重要。
對于那些需要能夠支持輔助電源的PoE 2 PD設計，PD可以選擇由電源適配器供電，圖3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(gè)二極管，以顯著(zhù)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(guò)幾乎消除熱運行二極管橋中固有的兩個(gè)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。
結論
在如今不斷發(fā)展的全球以太網(wǎng)市場(chǎng)中，PoE 2仍然相當重要，即使在遠程工作持續凸顯優(yōu)勢的情況下也是如此。大中小型企業(yè)都對大樓進(jìn)行改造，安裝支持PoE的掃描儀、攝像頭和其他系統來(lái)保護員工安全，所以比以往更加需要高端口數PSE。ADI公司的LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 PSE芯片組能夠滿(mǎn)足這種需求，它們讓交換芯片供應商能夠高效、可靠地為高達48個(gè)以太網(wǎng)端口供電，且為設施和IT經(jīng)理提供先進(jìn)電源管理功能。同時(shí)，PD開(kāi)發(fā)人員可以在電纜的另一端繼續使用ADI公司的多款I(lǐng)C來(lái)提高集成度，減少散熱量，并提高電源效率。
圖5.帶有輔助輸入的高效IEEE 802.3bt單特征PD接口的簡(jiǎn)化框圖
作者簡(jiǎn)介
Christopher Gobok是ADI公司電源系統管理產(chǎn)品的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監。Chris畢業(yè)于圣何塞州立大學(xué)，獲得BSEE、MSEE和MBA學(xué)位。他之前的行業(yè)經(jīng)驗包括擔任光電子和功率MOSFET的PME。聯(lián)系方式：christopher.gobok@analog.com。
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