乙太網供電（PoE）是IEEE 802.3af和802.3at標準定義的一種聯網功能。 PoE使乙太網電纜可以通過現有數據連接同時向網絡設備供電和傳輸數據。IEEE 802.3bt標準已於2018年9月27日獲得IEEE-SA標準委員會的批准，主要用於實現通過乙太網鏈路傳輸更多電力。 在這裡，我們討論為何這很重要，以及工程師可以如何利用這一潛力。
無線網絡隨時可用，為何我們仍要使用有線連接？ 確實，無線聯接很方便，但建築物和家庭中已鋪設數百萬英裡的有線CAT5e電纜，有線連接仍在大量使用中，而且有線比無線（很多網絡都是有線的，例如大學和企業網絡）更難被黑客入侵或攔截，且有線電纜的成本很低。想要在一幢由磚、石頭和金屬構成的建築物獲得良好的無線信號，許多情況下只能靠運氣（雖然5G具有更好的室內覆蓋和穿透能力，但完全部署還需時日）。如果想要接入乙太網電纜信號，則必須有訪問權限。此外，無線更容易受到其它信號和無線電波的幹擾，而有線電纜通常有屏障並提供「即插即用」的體驗，而且具有更好的服務質量（QoS）。
802.3bt系統架構電源設備（PSE）是一種可通過乙太網電纜為受電設備（PD）供電的電源控制器。 IEEE 802.3bt標準指出：「PD是消耗功率或請求功率的設備部分，參與PD檢測算法。能夠成為PD的設備可能具有從備用電源汲取功率的能力。需要從電源接口（PI）供電的PD可能同時從備用電源供電。」典型的PD是一種設備，如IP電話、無線接入點、安防攝像機等，從乙太網電纜接收電力。電源接口（PI）是PSE或PD與傳輸介質之間的機械和電氣接口。這在IEEE802.3bt標準的「PD PI當前定義」第1.4.324節中有定義。
以前的PoE標準僅使用乙太網電纜中八根導線中的四根來傳輸直流電流，IEEE工作組選擇對802.3bt使用所有八根導線。IEEE Std 802.3bt-2018修正案2指出：「此修正案使用結構化布線工廠中的所有四對電線，增加了功率傳輸，從而為終端設備提供了更大的功率。該修正案還降低了終端設備的待機功耗，並增加了一種機制來更好地管理可用功率預算。」
IEEE標準委員會的目標是增加從電源設備（PSE）到受電設備（PD）的電量。提供給PD的這些額定功率水平高達71.3 W（90W來自PSE），同時大大降低了PD睡眠時所需的待機功耗。
自動分類特性IEEE 802.3bt標準的第145.8.8.2節對「自動分類」物理層分類進行了可選擴展。啟用此功能後，PSE會確定所連接的PD設備消耗的實際最大功率。自動分類（Autoclass）僅針對單特徵（single signature）PD定義（有關單特徵定義，請參閱下一節）。
當PSE實施Autoclass時，在POWER_ON且同時pd_autoclass為TRUE時測量PAutoclass。 請參閱本文中「一個802.2bt最壞情況的示例」的部分，該部分顯示了發送給PD的功率未達到所需滿功率的情況。如果啟用自動分類功能，則可以糾正這種情況。
單特徵/雙特徵IEEE 802.3bt提供兩種新的PD拓撲，分別稱為單特徵和雙特徵。單特徵PD在兩個線對之間具有相同的分類、維持功率特徵（MPS）和檢測特徵。雙特徵PD在兩個線對之間具有獨立不同的特徵。802.3bt標準通過新添加的連接檢查（Connection Check）實現區分功能，以來識別單特徵或雙特徵PD連接之間的差異。
雙特徵PD將需要兩個並行的PD接口，因為在此拓撲中需要兩個不同的線對集。每個PSE的電力在每個PD接口之後匯集。這是個成本更高的方案，設計人員可能會選擇成本低一半的單特徵方案。考慮具有雙重特徵的監視攝像機，其中一個線對與攝像機相連，另一個線對與加熱器或雲臺/變焦電機相連。
對於來自PSE的每個數據對，PD端通常也需要一個變壓器（對於GB乙太網，請參見圖1，其中Vpd,B可能是10 / 100Base-T），一個有源橋式整流器，一個802.3bt PD接口控制器和一個DC - DC轉換器。肖特基二極體、電阻器和電容器也可理解為PD附加組件的可能部分。
圖1：802.3bt PD端應用電路圖、FDMQ8205A橋式整流器和NCP1096 PoE-PD接口控制器 （圖片由安森美半導體提供）
圖2顯示，Type 4、Class 8可能消耗的最大功率為71.3W。PSE最低電壓為52 V，最差的支持通道電阻為6.25 ohm，1.73 A的電流將流經電纜。
圖2 ：最壞情況下的通道為6.25歐姆，負載的恆定功率為71.3W（Class 8）。每條導線1.73A或0.433是可在兼容系統中流動的最高額定電流（圖片由參考文獻2提供）
PD端的潛在問題以及設計人員可能的方案/緩解措施IEEE 802.3bt標準指出「PD在與電纜的物理連接點指定。未指定特性如電壓校正電路、電源效率低下造成的損耗，內部電路與外部接地之間的分離或PI連接器之後電路引起的其它特性等。除非特別說明，否則PD定義的限制指定在PI上，而不是在PD內部的任何點上。」
以下是設計人員應該考慮的一些領域，以建立一個真正強固的設計架構：
1）注意由於PSE和PD之間的通道中的其它器件（二極體、變壓器等）引起的電流不平衡（請參見圖3）。只要設計人員意識到這種不平衡，就可以採用創造性的方法來減輕這種不平衡。這將取決於設計架構，一些可靠的規則是使用良好的接地平面以及承載大電流的寬接地迴路。
2）乙太網電纜中的線對線間電流不平衡：這裡的問題是電纜供應商很少測試或給設計人員提供線對線不平衡規範，他們通常只指定線對內的不平衡。
圖3: PD電流不平衡驗證電路（圖片由參考文獻1提供）
3）當心電纜發熱：通常會有大量電纜發熱，但設計人員需要保持溫升控制。IEEE工作組設定限值應小於10攝氏度的溫升。他們採用300 mA電流流過所有電纜導線，就像在不失衡的情況下，為每100 m電纜的末端傳送51 W功率。設計人員可以嘗試一些方案，例如使用較低電阻的電纜來減少I2R損耗，在每個線束中使用較少的電纜或僅在電纜束中進行部分供電。
確定任何給定電纜的功耗（發熱）的正確方法是使用恆定功率吸收器作為負載，並使用電壓源作為輸入電源。
一些電纜發熱研究會測試2.0 A時的電纜束。因此，如果使用24AWG電纜，則電纜功率密度將為164 mW / m。功率密度是每單位長度電纜消耗的功率，因此：
164 mW / m =((2.0A)2x 4.09 ohms)/100m)
Rch：基於24 AWG固態銅在20oC的電阻率
圖4:通道是24 AWG UTP，負載是恆定的2.0A（圖片由參考文獻2提供）
4）輸送到PD的功率（PD是恆定功率負載）與PSE功率輸出之間存在非線性關係。PD的功率需求各不相同。PD需要更多的電流意味著電纜中的壓降更高，並有IR損耗。PD獲得的電壓低於所需電壓，因此需要更多電流。事實證明，在較低電流下使用較高的PD電壓可穩定此效果。為安全起見，請將PSE電壓限制為不超過57 V。
測試PD如果製造商有演示板或參考設計，請將其應用於你的設計。這些板是使用適當的布線和接地技術精心創建的，以提供最佳的架構性能。通常可以從製造商處獲得工藝的Gerber文件。請在設計中使用它們，這些方法將免去對最終設計進行大量測試。
對於設計的生產測試以及在實際系統中的測試，有一些很好的方案，如Reach Technology的PoE5 100 W PoE測試儀，或RT-PoE5 IEEE 802.3bt乙太網供電PSE生產測試儀。美國新罕布夏大學互操作性實驗室是目前唯一用於測試PoE認證的第三方測試機構。Sifos Technologies提供用於IEEE 802.3bt PoE的緊湊型PowerSync分析儀，將有助於進行4線對測試。以上方案將有助於確保強固的系統。
總結本文旨在介紹PoE和IEEE802.3bt。希望讀者能了解PD和PSE的定義，以及它們在提供適當信號和功率傳輸方面的優勢和局限性，並更好地理解該標準及其在PoE系統中的改進能力。
IEEE 802.3bt標準支持設計人員向PD提供更高的功率以及更多通用的能源選擇。本文還解釋了為什麼在無線世界中進行有線連接可以增強安全性、提高可預測性和可靠性的原因。此外，本文還向讀者介紹了設計802.3bt PD時要考慮的一些要點，以避免潛在的缺陷，從而使最終設計的系統穩定可靠。最後，為了更好地設計802.3bt PD，向設計人員演示了適當的測試方法，並提供了連結和參考文獻。
作者： Riley Beck，安森美半導體
參考文獻
1．IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt™-2018 (Amendment to IEEE Std 802.3™-2018 as amended by IEEE Std 802.3cb™-2018)
2．Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017
責編：Amy Guan
本文為《電子工程專輯》2020年3月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱