现在就实现 IEEE 802.3bt 71W PoE 标准

现在就实现 IEEE 802.3bt 71W PoE 标准

作者:ADI公司 高级产品市场工程师 Christopher Gobok

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 PoE 特别小组的最新时间表显示,71W 802.3bt 标准直到 2018 年初都不会准备就绪。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 市场的开发人员今天有ADI公司的 LT4295 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 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。图 1 示出了 IEEE 802.3bt PSE-PD 链路的典型方框图。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,因此可能留意先前被忽视的电缆布线系统性能特征。

图 1:IEEE 802.3bt PSE-PD 链路的典型方框图     802.3bt PSE CONTROLLER:802.3bt PSE 控制器  DATA PAIR:数据传送线对  SPARE PAIR:备用线对  802.3bt PD CONTROLLER:802.3bt PD 控制器  DC/DC CONVERTER:DC/DC 转换器

图 1:IEEE 802.3bt PSE-PD 链路的典型方框图

802.3bt PSE CONTROLLER:802.3bt PSE 控制器
DATA PAIR:数据传送线对
SPARE PAIR:备用线对
802.3bt PD CONTROLLER:802.3bt PD 控制器
DC/DC CONVERTER:DC/DC 转换器

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)。

表 1:IEEE 802.3bt PD 分级和功率水平

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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。

表 2 汇总了 802.3bt PD 的类型 (Type) 和特性。您或许已经熟悉了 Type 1 和Type 2 PD,它们分别由 802.3af 和 802.3at 规范提出,并且通常映射到一种或多种独特的分级 (功率水平)。然而,802.3bt 的新型 Type 3 和 Type 4 PD 就不是那么简单了。正如可从“PD 分级”栏看到的那样,除了 Class 0 之外,Type 3 PD 涵盖和扩展了 Type 1 和 Type 2 PD 中的分级。相似地,Class 5 被 Type 3 单特征和 Type 4 双特征 PD 所采用。此外,从图 2 可知,一个 Class 5 单特征 PD 仅被分配了 40W,而一个 Class 5 双特征 PD 则被分配了 2 x 35.5W;在双特征 PD 中会使情况更加糟糕,因为每个线对独立地工作,每个线对有可能处于不同的分级,例如:第一个线对上的 Class 1 (3.84W) 和第二个线对上的 Class 2 (6.49W) 形成了一个双特征 Class 1.2 (10.3W) PD。随着双特征 PD 的所有此类分级重叠和非标准功率水平的激增,重要的是开发人员和用户等不再把 PD 类型与 PD 分级等同起来,也不再把 PD 分级与 PD 功率水平视为同义。作为替代,明确地识别 PD 的特征拓扑和分级、并谨慎地检查 PD “类型” 的真实含义对每个人都将是最有益的。

表 2:IEEE 802.3bt PD 类型和特性概要

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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。为此,ADI提供了三款专为实现 802.3bt PD 性能之最大化、也许更重要的是简化工作任务而特别设计的 IC。图 2 示出了具有一个辅助输入的高效率单特征 802.3bt PD 接口的简化方框图。该解决方案拥有高于 94% 的端到端 (RJ-45 输入至 PD 负载) 效率,并可在 -40°C 125°C 的温度范围内工作。

图 2:具辅助输入的高效率 IEEE 802.3bt 单特征 PD 接口的简化方框图     AUX INPUT:辅助输入  DC TO 600Hz:DC 至 600Hz  DATA PAIRS:数据线对  SPARE PAIRS:备用线对     IDEAL DIODE BRIDGE CONTROLLER:理想二极管桥式控制器  ŸMAXIMIZES POWER EFFICIENCY:最大限度提高电源效率  ŸREDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS:减少热量,消除热量设计问题  ŸDC TO 600Hz:DC 至 600Hz  Ÿ9V TO 72V OPERATING VOLTAGE RANGE:9V 至 72V 工作电压范围  ŸIQ = 1.5mA (TYPICAL):IQ = 1.5mA (典型值)  FORWARD OR FLYBACK DISCRETES:正向或反激式分立电路     PD FORWARD/FLYBACK CONTROLLER:PD 正向 / 反激式控制器  ŸIEEE 802.3bt COMPLIANT:IEEE 802.3bt 兼容  ŸHIGH EFFICIENCY FORWARD OR NO-OPTO FLYBACK OPERATION:  高效率正向或无光耦合反激式运行  ŸSUPERIOR SURGE PROTECTION (100V):出色的浪涌保护 (100V)  ŸWIDE JUNCTION TEMPERATURE RANGE (-40°C TO 125°C):宽的结温范围 (-40°C 至 125°C)     PoE DIODE BRIDGE CONTROLLER:PoE 二极管桥式控制器  ŸMAZIMIZED POWER EFFICEINCY:最大限度提高电源效率  ŸREDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS:减少热量,消除热量设计问题  ŸLESS THAN 800uA QUIESCENT OPERATING CURRENT:低于 800uA 静态工作电流  ŸFULLY COMPATIBLE WITH IEEE 802.3 DETECTION AND CLASSIFICATION:  与 IEEE 802.3 检测与分级完全兼容

图 2:具辅助输入的高效率 IEEE 802.3bt 单特征 PD 接口的简化方框图

 AUX INPUT:辅助输入
DC TO 600Hz:DC 至 600Hz
DATA PAIRS:数据线对
SPARE PAIRS:备用线对
IDEAL DIODE BRIDGE CONTROLLER:理想二极管桥式控制器
ŸMAXIMIZES POWER EFFICIENCY:最大限度提高电源效率
ŸREDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS:减少热量,消除热量设计问题
ŸDC TO 600Hz:DC 至 600Hz
Ÿ9V TO 72V OPERATING VOLTAGE RANGE:9V 至 72V 工作电压范围
ŸIQ = 1.5mA (TYPICAL):IQ = 1.5mA (典型值)
FORWARD OR FLYBACK DISCRETES:正向或反激式分立电路
PD FORWARD/FLYBACK CONTROLLER:PD 正向 / 反激式控制器
ŸIEEE 802.3bt COMPLIANT:IEEE 802.3bt 兼容
ŸHIGH EFFICIENCY FORWARD OR NO-OPTO FLYBACK OPERATION:
高效率正向或无光耦合反激式运行
ŸSUPERIOR SURGE PROTECTION (100V):出色的浪涌保护 (100V)
ŸWIDE JUNCTION TEMPERATURE RANGE (-40°C TO 125°C):宽的结温范围 (-40°C  125°C)
PoE DIODE BRIDGE CONTROLLER:PoE 二极管桥式控制器
ŸMAZIMIZED POWER EFFICEINCY:最大限度提高电源效率
ŸREDUCES HEAT, ELIMINATES THERMAL DESIGN PROBLEMS:减少热量,消除热量设计问题
ŸLESS THAN 800uA QUIESCENT OPERATING CURRENT:低于 800uA 静态工作电流
ŸFULLY COMPATIBLE WITH IEEE 802.3 DETECTION AND CLASSIFICATION:
与 IEEE 802.3 检测与分级完全兼容 

示于图 2 中 RJ-45 接口上的 LT4321 是一款理想二极管桥控制器,其可取代两个二极管桥式整流器 (图 1)。LT4321 采用低功耗 N 沟道 MOSFET 桥以同时增加 PD 的可用功率并减少散热量。802.3bt 规范要求 PD 在其以太网输入端上能够接受任何极性的 DC 电源电压,这样 LT4321 可对来自数据线对和空闲线对的电源进行平滑的整流并将其整合为极性正确的单个电源输出。由于电源效率提高实际上免除了散热要求,所以总体电路尺寸和成本得以降低。功率可降低 10 倍或更多,从而使 PD 能够保持在分级功率预算之内,或者使 PD 能够增加功能。

在图 2 中位于理想二极管桥控制器之后的是 PD 接口的 “大脑中枢” LT4295,其为一款符合 802.3bt 标准的 PD 接口控制器,集成了一个高效率正激式或无光耦合反激式控制器。LT4295 利用一个集成型 25kΩ 特征电阻、高达 5 事件分级检测和一种单特征拓扑支持所有 9 种 PD 分级和所有 4 种 PD 类型。除了提供更多的 PD 功率之外,使 LT4295 优于传统 PD 控制器的因素是其采用一个外部功率 MOSFET 以大幅度地降低总体 PD 散热量并实现电源效率的最大化,由于 802.3bt 的功率水平更高,因此这一点再次变得更为重要。这种新颖方法使用户能够按照应用的具体散热和效率要求选择 MOSFET 尺寸,从而允许选用导通电阻低至 30mΩ 的 MOSFET。

如果 802.3bt 的 71.0W 让您渴望获得更多的功率,则可寻求ADI LTPoE++ PSE  PD 控制器系列的帮助,这些器件能提供高达 90W 的功率水平。LTPoE++ 规范采用了一种与 802.3bt 规范相似的分级方案,可使 LTPoE++ PSE 控制器与 LTPoE++ PD 控制器可靠地相互通信,同时保持与 802.3at 和 802.3af 设备的互操作性。只需一根电缆,就能实现 LTPoE++ PD  LTPoE++ PSE 上的“即插即用”,所有的信号交换均利用硬件自动地处理,无需软件!。

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,示于图 2 顶部的 LT4320 是一款 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。

结论

虽然 IEEE 802.3bt 距离最后敲定还有很长时间,但是随着这个标准的主要方面开始尘埃落定,开发人员现在就可以信心十足地为这个市场开发产品。802.3bt 规范的 PD 类型、拓扑和分级支持较高的功率水平 (达 71.0W),而新的 MPS 特征则在 PD 处于睡眠状态时支持较低的待机功率。作为 PoE 技术的先驱和 IEEE 特别小组的积极成员,ADI凭借发布的 802.3bt 以及 LTPoE++ PD 和 PSE 控制器而持续地身处 PoE 技术的最前沿。是否利用这些可简化设计、最大限度提高电源效率、尽量缩减尺寸和降低总体 BOM 成本的 IC,并率先成为 802.3bt 市场的供应商,这由像您自己一样精明博学的开发人员决定。