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实现 IEEE 802.3bt 71W PoE 标准

来源:威勤电子作者:Alan发布时间:2018-05-16 13:00:00

引言

以太网供电 (PoE) 技术日益流行和成熟,因此供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD) 开发人员热切盼望追随下一波 IEEE 潮流,开始通过以太网电缆提供更大功率,也就不足为奇了。不过,就像很多行业标准一样,IEEE PoE 标准的最终确定常常远远滞后于市场所需。IEEE 802.3bt 标准直到 2018 年4月还没有准备就绪。从技术角度而言,这样的等待时间太长了,等待这么久意味着很容易错过商机或市场机会。那么,在这种情况下,PSE 和 PD 开发人员应该怎么办? 没什么可说的,当然是现在就开始设计和制造设备!想让产品率先进入 802.3bt 市场现在也有很多IEEE 802.3bt PD 控制器可用,该控制器符合标准草案 2.0 版要求。 

功率越大,潜力越大 

不出所料,IEEE PoE 特别小组和开发人员的关注点一直落在最终为 PD 提供多大功率上。2003 年,IEEE PoE 特别小组在最初的 IEEE 802.3af PoE 标准中规定,向 PD 输入端的 RJ-45 插座提供约 13W 功率。此后,市场不断要求更大功率。因此在 2009 年,IEEE PoE 特别小组修订了标准,发布了 IEEE 802.3at (也称为 PoE+),将最大 PD 功率级提高到 25.5W。到今天,人们预计,目前正在制订中的修订版 IEEE 802.3bt 草案标准 2.0 (也称为 PoE++ 或 4PPoE),将为 PD 提供高达 71W 功率。

有了更大的功率,开发人员就可以非常容易地增加更多功能并升级已有产品。以安防摄像头为例,这种应用一直随着 PoE 标准的修订而不断演变。在仅有 13W 功率可用时,最初的 PoE 供电安防摄像头仅是简单的静止系统。然而,当 802.3at 分配了 25.5W 功率以后,就有了更大功率来驱动多种嵌入式电动机,从而使安防摄像头可以提供上下、左右移动和变焦功能。现在,由于可以利用 802.3bt  的 71W 功率,所以具备上下、左右移动和变焦功能的安防摄像头还可以集成风扇和加热组件,以支持在极端温度下运行。在有些情况下,更高的 PoE 功率级有可能助力打开全新市场。例如,传统 LED 照明设备制造商可能只生产安装在天花板上、用墙上开关控制的照明灯,但是现在,它们可以生产支持 PoE 的产品,这将有助于为智能家居或智能建筑创造机会。无论更大的功率是否促进了最终产品的演变或彻底改变,很显然的是,PoE 标准的每一次修订都带来了更大的市场潜力。 

对 PSE-PD 链路的改变 

正如您也许已经猜到的那样:4PPoE 代表“4 线对 PoE”,因为 802.3bt 规范利用以太网电缆中的所有 4 根双绞线以实现长达 100m 的功率传输;在较旧的 PoE 标准中,4 线对功率输送是不兼容的。电缆布线要求仍然悬而未决,但是电缆布线委员会和制造商正在猜测:802.3bt 将要求至少采用 Category 5E 电缆,旨在支持增加的功率水平并以 10GBASE-T (10Gbit/s 以太网数据速率) 运作。在任何场合中,由于我们现今逐步达到以太网电缆的电流处理极限,因此可能要留意先前被忽视的电缆布线系统性能特征。

802.3bt 引入了两种新型 PD 拓扑:单特征和双特征。单特征 PD 是在两个线对 (pairset) 之间共用相同的检测特征、分级特征和维持功率特征 (MPS) 的 802.3bt PD,而双特征 PD 则是在两个线对之间具有独立特征的 802.3bt PD。毫无疑问,新的 802.3bt 设计将趋向于采用较为简单和更具成本效益的单特征拓扑,该拓扑仅需要单个 PD 接口。双特征 PD 需要两个并行 PD 接口 (每个线对各用一个),来自两个 PSE 的功率在每个 PD 接口之后相加。例如,双特征拓扑实质上采用两个 25.5W PD 以构成单个 51W PD,这是一种成本有可能高达单特征 51W PD 之两倍的复杂解决方案。

802.3bt 检测过程已被扩展到不仅能够辨别所连接的 PD 是符合 802.3 标准的 PD,而且还可确定连接的是单特征 PD 还是双特征 PD。正因为如此,检测功能如今利用 “连接检查” (Connection Check) 进行了扩充,以确定单特征或双特征 PD 配置。

802.3bt 规范引入了四种新的高功率 PD 分级 (Class),从而使单特征类别的总数达到 9 个,如表 1 所示。Class 5~8 对于 PoE 标准而言是新的,并转化为 40.0W 至 71.0W 的 PD 功率水平。PSE 仍然可选择使用物理层 (即:用于 71W 的 5 事件分级) 或数据链路层 (即:链路层发现协议,LLDP) 进行 PD 的分级,而且 PD 依然必需能够支持两种分级方案以与标准相符。另外,802.3bt 还可以实现物理层分级的一种任选扩展 (称为 “Autoclass”),在此扩展中一个 802.3bt PSE 测量一个连接 PD 的实际最大吸取功率。举个例子,这种便利的功率管理功能允许 PSE 把剩余的功率分配给附加的灯泡 (如果它知道某个特定灯泡所吸取的功率低于其分级功率)。

单特征 PD 双特征 PD
分级 PD 可用功率 分级 可用的线对 PD 功率
0 13W —— ——
1 3.84W 1 3.84W
2 6.49W 2 6.49W
3 13W 3 13W
4 25.5W 4 25.5W
5 40W 5 35.5W
6 51W —— ——
7 62W —— ——
8 71W —— ——

表 1:IEEE 802.3bt PD 分级和功率水平

对于那些需要 PD 在深度睡眠模式之用户,他们将很高兴地发现:802.3bt 规范提出了维持功率特征 (MPS) 的一种较低功率版本,被称为“低 MPS”。根据较旧的 PoE 标准,PD 必须以 32% 的占空比吸收一个小的 DC 电流,旨在告知 PSE 把 PD 保持在接通状态。然而,这种相对较高的占空比在某些应用中会迅速成为一项负担,比如:当您考虑新的“高效节能型”建筑标准时。目前,802.3bt PD 仅需以 ~2% 的占空比维持一个小的 DC 电流,因而大幅度地减小了待机电流。 

不言而喻,802.3bt 可向后兼容 802.3at 和 802.3af。一个较低功率 802.3at 或 802.3af PD 可连接至一个较高功率 802.3bt PSE,这不会有任何问题。而且,当情况反过来的时候,即一个较高功率 802.3bt PD 连接至一个较低功率 802.3at 或 802.3af PSE,PD 只需能够工作在各自的较低功率状态即可,这被称为“降级”。如果 PD 忽略降级并工作在其最高功率状态,则高耗电的 PD 将导致 PSE 反复地接通,达到其电流限值,然后关断。这实际上使 PSE 产生低频寄生振荡。因此,“降级”是 802.3at 和 802.3af 规范所要求的,但遗憾的是在许多实施方案中被忽视了。

尽可能地使用所有的可用功率

高功率 PD 设计最重要的方面通常是成本和效率,这在很大程度上受到选择用于实现 PD 接口之 IC 的影响。此外,从事空间受限型设计的开发人员还痛苦地意识到怎样限制 PD 的尺寸只会成为更大的挑战,原因是较高的功率水平需要使用较大的分立组件和较大的散热器。最后,对于那些具有必需能支持一个辅助电源的 802.3bt PD (除了 PoE 以外,PD 还可选择由一个电源适配器供电) 的用户,一款 9V 至 72V 理想二极管桥控制器,其采用低损耗 N 沟道 MOSFET 替代了全波桥式整流器中的全部 4 个二极管,以显著地降低功率耗散并增加可用电压。由于电源效率的提升免除了笨重和昂贵的散热器,因此可缩减电源和墙上变压器的尺寸。另外,通过几乎消除热运行二极管桥中固有的两个完整二极管压降 (~1.2V,在 12V 时为 10%) 提供了额外的裕度 (从而增加了应用的储备空间),低电压应用亦能从中获益。