搶佔IEEE 802.3bt PoE++先機,ADI推出PoE++PD和PSE控制器

IEEE的乙太網供電(PoE)新標準（也稱為PoE++）經過5年的開發，於2018年末最終定稿。新標準的出臺促使供電設備(PSE)和受電設備(PD)開發人員競相研發新硬體，因為PoE++能夠為PD提供高達71.3W功率，幾乎是之前標準25.5W的3倍。PoE++允許通過千兆乙太網在相同布線上傳輸52V/1.7A，從而為新一代的高耗電應用奠定基礎，包括熱門的戶外雲臺變焦攝像機網絡或用於蜂窩或Wi-Fi通信的遠程基站和接入點。

圖1顯示基本的PoE框圖，其中一臺PD連接至PSE。現在802.3bt標準已最終定稿，PoE開發人員希望率先推出自己的PoE++設計。目前的挑戰就是要找到正式發布並經過認證的100%符合802.3bt標準的PSE和PD解決方案。別再四處尋覓了…… 

圖1. 乙太網供電框圖。

ADI公司作為PoE技術先鋒和IEEE 802.3bt工作小組成員，目前已推出PoE++PD和PSE控制器，助PoE開發人員按照802.3bt標準最終版本完成設計。ADI公司推出的LTC4291-1/LTC4292PoE++PSE控制器晶片組和PoE++PD控制器，有助於開發人員設計完整的端到端PoE++系統，並且經過現場試運行和驗證。我們將詳細介紹LTC4291-1/LTC4292晶片組的獨到之處，描述它如何支持IEEE最新的PoE標準，並快速回顧PoE++PD產品的關鍵特性。

LTC4291-1/LTC4292PSE晶片組LTC4291-1/LTC4292是隔離式4埠PSE控制器晶片組，專為PoE++系統而設計。

圖2是LTC4291-1/LTC4292的簡化原理圖，顯示4個乙太網埠中的一個是如何供電的。該晶片組採用集成隔離架構，其中LTC4291-1提供一個PSE主機隔離數字接口，而LTC4292則提供一個高壓乙太網接口。

圖2. LTC4291-1和LTC4292 PoE++ 4埠PSE晶片組的簡化原理圖。

IEEE 802.3乙太網規範要求將網段（包括PoE電路）與底盤地和PHY進行電氣隔離。通過將LTC4291-1置於非隔離側，將LTC4292置於隔離側，可將多達6個昂貴的光耦合器和1個隔離電源替換為更便宜、更可靠的10/100 乙太網變壓器。這種拓撲結構不僅可以節省成本，還可以實現更穩定可靠和易於製造的PSE設計。

802.3bt引入了兩種不同的PD特徵配置：單特徵和雙特徵PD。單特徵PD（圖3）是在兩個線對(pairset)之間共用相同的檢測特徵和分級特徵的PoE++PD。雙特徵PD是在每個線對上都具有獨立特徵的PoE++PD；允許每個線對具有完全獨立的分級和功率分配。雙特徵PD解決方案非常複雜，其成本是單特徵PD的兩倍。

圖3. 單特徵與雙特徵PD的拓撲結構。

此外，值得注意的是，儘管共用一個相同的架構，802.3bt雙特徵PD並不等同於先前標準的UPoE設備。LTC4291-1/LTC4292支持經過更新的PoE++PD檢測過程，包含新的連接檢查子過程，以確定PSE連接哪種PD特徵配置。

執行連接檢查後，LTC4291-1/LTC4292將開始驗證連接的PD是否符合IEEE標準。雖然IEEE要求PSE使用2點電壓或2點電流檢測方案之一來檢測有效PD特徵(25 kΩ)，但LTC4291-1/LTC4292通過同時採用兩種類型的檢測方案以實現更穩定可靠的方案。這種多點（多電壓和多電流）檢測機制可用來消除誤報，並可避免損壞未針對PoE直流電壓承受力而設計的網絡設備。 

與先前PoE標準使用的傳統的2對導體（4根導線）相比，PoE++對4對導體（8根導線）供電以傳輸功率。這不僅能實現新的更高功率水平，而且由於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+PD可接收到25.5 W，需要為PoE+PSE提供30W功率，因為在100m的CAT5E電纜上的損耗為4.5W。採用PoE++標準為相同的25.5WPD供電通常可將損耗降低至2.25W以下，從而使總功率傳輸效率從85%提高至92.5%。考慮到全球PoE PD的數量，這意味著大幅降低功耗，在許多情況下，碳排放量可降低 7.5%。

PoE++引入了四種新的大功率PD分級(Class)，從而使單特徵分級總數達到9個（如表1所示）。分級5至8是PoE++的新增分級，相當於40W至71.3W的PD功率水平。PSE仍然可選擇使用物理層（即用於71.3W的5事件分級）或數據鏈路層（例如，鏈路層發現協議(LLDP)）進行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，因為每個線對在雙特徵PD中獨立運行，所以每個線對都可以是不同的分級。例如，第一個線對上的Class 1 (3.84W)和第二個線對上的Class 2 (6.49W)將形成一個雙特徵Class 1、Class 2 (10.3 W) PD。

表1. PoE++PD分級和功率水平

PoE++PD還可以實現物理層分級的一種可選擴展（稱為Autoclass），其中PoE++PSE（如LTC4291-1/LTC4292）測量連接PD的實際最大吸取功率。這樣，利用這種電源管理功能，LTC4291-1/LTC4292可以將剩餘的功率分配給其他燈泡（如果測量某個燈泡，由於較低的亮度設置或電纜較短，其功耗低於其分級功率）。 

不言而喻，PoE++可向後兼容舊的25.5W PoE+和13W PoE標準。 較低功率的PoE+或PoE PD可以連接至較高功率的PoE++PSE（如LTC4291-1/LTC4292），這不會有任何問題。而且，當情況反過來時，即較高功率的PoE++PD連接至較低功率的PoE+或PoE PSE時，PD可在經協商的較低功率狀態下工作，這被稱為降級。如果PD忽略降級並工作在其最高功率狀態，則高耗電的PD將導致PSE反覆地接通，達到其電流限值，然後關斷，這實際上使PSE產生低頻寄生振蕩。因此，PoE+和PoE++都需要降級，但遺憾的是在許多實施方案中降級被忽視了。

開發人員採用ADI公司的IC可最大限度地實現PoE++PD性能。圖4顯示了帶有輔助輸入的高效單特徵PoE++PD接口的簡化框圖。 該解決方案擁有高於94%的端到端（RJ-45輸入至PD負載）效率，並可在-40°C至125°C的溫度範圍內工作。 

圖4. 帶有輔助輸入的高效IEEE 802.3bt單特徵PD接口的簡化框圖

圖4中RJ-45接口上的LT4321是一款有源二極體橋控制器，可用來取代所需的二極體橋式整流器。LT4321採用低損耗N溝道MOSFET橋，可同時提高PD的可用功率並減少散熱量。PoE++要 求PD在其乙太網輸入端上能夠接受任何極性的直流電源電壓， 因此LT4321可將來自兩組數據線對的電源進行平滑的整流，並將其整合為極性正確的單個電源輸出。由於電源效率提高實際上免除了散熱要求，所以總體電路尺寸和成本得以降低，並且功率可降低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。

位於圖4中理想二極體橋控制器之後的是PD接口的「大腦中 樞」LT4295，它是一款PoE++ PD接口控制器，集成了一個高效 的正激式或無光耦合反激式控制器。LT4295利用一個集成型 25kΩ特徵電阻、高達5事件分級和單特徵拓撲支持所有9種PD分 級。除了提供更多的PD功率之外，使LT4295優於傳統PD控制器 的因素是其採用一個外部功率MOSFET以進一步地大幅降低總體 PD散熱量並實現電源效率的最大化，由於PoE++標準的功率水平更高，因此這一點變得更為重要。 

對於那些需要能夠支持輔助電源的PoE++ PD設計，PD可以選擇由電源適配器供電，圖4頂部所示的LT4320是一款9V至72V有源二極體電橋控制器，它採用低損耗N溝道MOSFET取代了全波橋式整流器中的全部4個二極體，以顯著降低功耗並增加可用電壓。由於電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器，因此可縮減電源和牆上變壓器的尺寸。通過幾乎消除熱運行二極體橋中固有的兩個完整二極體壓降（~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。

PoE++標準的批准近在眼前，因此開發人員可以信心十足地為這個市場開發產品。PoE++標準的高功率水平高達71.3 W，具有豐富的電源管理新功能，開發人員可以利用這些功能創建更加動態和優化的系統。PSE開發人員應當感到慶幸，ADI 公司發布的LTC4291-1/LTC4292 PSE 4埠晶片組穩定可靠並簡化了BOM。同時，PD開發人員可以在電纜的另一端繼續使用 ADI 公司的多款IC來減少散熱量並提高電源效率。