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          設(shè)計(jì)用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的以太網(wǎng)供電受電設(shè)備(PoE-PD)

          作者:安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品營銷經(jīng)理,Riley Beck 時間:2020-08-18 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:互聯(lián)的設(shè)備依賴于兩個核心功能,即通信回傳和電源。對于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備,經(jīng)常會出現(xiàn)三個核心問題:電源、通信和安全性。像WiFi這樣的無線技術(shù)已在市場上引起了人們的關(guān)注多年,但卻為這三個問題困擾。無線電池供電的設(shè)備需要定期充電,WiFi的頻段飽和。這是當(dāng)今兩個常見的問題。較大的功率需求需要主電源連接,這使安裝點(diǎn)復(fù)雜并受到限制。

          以太網(wǎng)供電(PoE)經(jīng)現(xiàn)有以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供靈活性、可靠性、安全性和電源來解決這些問題。自從2003年由IEEE首次發(fā)布以來已取得了飛躍性的發(fā)展。最新的IEEE 802.3bt批準(zhǔn)使其成為市場上的佼佼者,通過Cat5 / Cat6電纜提供10G-BASE-T和60W至90W的功率。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202008/417199.htm

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          圖1:啟動階段的波形

          提升的功率

          最初,Type 1電源設(shè)備(或)只能提供最高15.4 W的功率,Type 2增加了一倍,達(dá)到30 W?,F(xiàn)在,2018年9月發(fā)布的Type 3和Type 4的功率分別達(dá)到60 W和90 W。這打開了啟用互聯(lián)設(shè)備世界的大門,這些設(shè)備包括無線和蜂窩基站、平移傾斜變焦(PZT)和半球攝像機(jī)、電視、交互式顯示器和信息站。單根低壓電纜同時配以專用高速通信,使布線更少,是物聯(lián)網(wǎng)()和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(I)的智能樓宇維護(hù)和安裝的理想選擇。

          以太網(wǎng)供電是有線通信和供電系統(tǒng),使用現(xiàn)有的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為端點(diǎn)設(shè)備供電。在這些系統(tǒng)中,電源設(shè)備()經(jīng)由八根電線提供電源,這些電線布置成四對雙絞線(Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a)電纜,采用RJ45型連接器連接到受電設(shè)備()。向端點(diǎn)提供高達(dá)57 V的電壓。由于該電壓小于60 V,因此符合安全特低電壓指令(SELV),使電氣安全,并且不需要有資質(zhì)的電工或掩埋電纜,從而簡化了安裝和維護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)將每個端口的功率限制為90W,使這成為以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)淖畲蠊β省?/p>

          該標(biāo)準(zhǔn)最初定于2017年發(fā)布,在正式發(fā)布之前不斷更新,以確保與以前的版本兼容。PoE規(guī)范的最新更新IEEE 802.3bt引入了Type 3和Type 4電源設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備()。為了提供更高的電流,新標(biāo)準(zhǔn)允許同時使用兩種功率模式(模式A和模式B),通常稱為4對或4PPOE,經(jīng)由4對而不是Type 1和Type 2供電。

          添加的3類,即5至8類,具有改進(jìn)的相互識別過程和自動分類功能。此更新還帶來了更低的待機(jī)功耗,并支持10G-BASE-T和PoE。

          表1列出了新類別和類型在受電設(shè)備接收到的功率以及每種類型支持的模式。

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          用PoE設(shè)計(jì)

          設(shè)計(jì)受電設(shè)備時,要考慮許多功能,包括運(yùn)行模式、檢測和分類。為了避免損壞非PoE設(shè)備,PSE必須在提供電源之前檢測是否已連接受電設(shè)備。使用有效特征檢測PD模式,并在受電設(shè)備中使用25kΩ電阻去實(shí)施。當(dāng)PSE提供兩個連續(xù)的電壓(V1 = 2.7 V和V2 = 10.1 V)用于電阻檢測時,它記錄電流值,確定PD的存在,然后激活為設(shè)備供電。圖1描繪了啟動期間的電阻檢測階段。

          在分類階段,確定受電設(shè)備的最大功率要求。連接到PD的PoE控制器的另一個電阻指示功率范圍。表1顯示了單特征PD的不同類別及其最大平均功率。類別不要與Type混淆,它涉及所連接設(shè)備的特定功率。在IEEE 802.3af / at(Type 1和Type 2設(shè)備)中,使用了單特征PD。IEEE 802.3bt添加了雙特征PD,其中每種模式或替代方案(A和B)使用單獨(dú)的輸入橋式整流器和PD控制器。

          可選的分類擴(kuò)展是自動分類。在“自動分類”中,PSE會測量特定時間段內(nèi)連接的PD的功耗,從而可以確定PD所需的最大功率。自動分類絕不會使用雙特征PD來實(shí)現(xiàn)。

          一旦檢測到受電設(shè)備并確定了類別,它就必須保持電源特征。對于Type 1和Type 2設(shè)備,所需的最小功率特征為10mA,占空比為20%。為了使端口保持激活狀態(tài),浪費(fèi)了至少2.31 mA的平均電流。在50 V時,達(dá)到115 mW,在更大的部署中很快地相加。對于Type 3和Type 4供電設(shè)備,占空比降低到1.875%,這使得每個設(shè)備的功率小于10 mW,從而使待機(jī)功耗降低了90%。

          在網(wǎng)絡(luò)上存在大量設(shè)備的互聯(lián)照明應(yīng)用中,嚴(yán)格要求MPS。即使對無線回傳、Wi-Fi接入點(diǎn)和安防攝像頭等始終在線的設(shè)備來說,它也是必需的,即使不那么關(guān)鍵。

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          圖2:模式A和模式B PoE功率傳輸

          PoE模式

          功率分配分為三種模式:模式A、模式B(也稱為替代A和替代B)和4對。對于10BASE-T / 100BASE-TX,在模式A下,電源與數(shù)據(jù)對1-2和3-6同時傳送。模式B由備用對4-5和7-8供電。在1000BASE-T應(yīng)用(四對)中,模式A和模式B的電力也同時由4對傳輸。使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭提取共模電壓,然后DC - DC轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

          圖2所示是Type 1和Type 2應(yīng)用的模式A和模式B供電。圖3描繪了Type 3和Type 4中4對模式的接線。

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          圖3:4對PoE功率傳輸

          在設(shè)計(jì)使用PoE的設(shè)備時,考慮互連電纜很重要。以太網(wǎng)的電纜長度最大為100 m,它具有直流電阻,同時會降低電壓并因發(fā)熱而耗散功率。5類或Cat5電纜是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中使用的雙絞線電纜,用于在PoE網(wǎng)絡(luò)中供電。它支持高達(dá)100 Mhz,適用于10/100 / 1000BASE-T。類別6或Cat6是對Cat5電纜的改進(jìn),并支持高達(dá)500 Mhz,適用于10GBASE-T以太網(wǎng)速度。

          一根100m的Cat5電纜的直流電阻為12.5Ω,其中Cat6的電纜每100m的直流電阻為7Ω。傳輸損耗隨著差分對中電流的增加而增加。在25 W PD的典型輸入電壓為50 V的情況下,電流為0.5A。這在Cat5中的傳輸損耗總計(jì)為2.5 W,在Cat6中的傳輸損耗總計(jì)為1.75 W,這些損耗因發(fā)熱而耗散。對于90 W的設(shè)備,此傳輸損耗在四對之間共享,每對為930 mA,PSE至少為52V。在Cat5中為17.30 W,在Cat6中為2x6.05W。這表明Cat5對于任何應(yīng)用都是足夠的和安全的。

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          二極管橋

          總方案尺寸

          圖4:GreenBridge?方案對比二極管橋

          聯(lián)接

          安裝時應(yīng)仔細(xì)考慮布線。必須計(jì)算電纜長度和設(shè)備電源之間的折衷,以提高能效和降低電纜損壞的風(fēng)險。

          受電設(shè)備控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并通過附加的DC - DC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)PD側(cè)的輸入電壓。二極管橋是用于典型PoE設(shè)備的一種低成本方案。這些在低功率設(shè)備上就足夠了,但是隨著功率的增加,這方案變得有問題。在25.5 W,最小42.5 V的情況下,估計(jì)0.6 A電流流經(jīng)二極管橋。每個二極管的正向電壓為0.7 V,每個二極管的功率損耗為420 mW。對于90 W系統(tǒng),現(xiàn)在的電流為3.7 A,每個二極管的功率損耗為2.59W。

          MOSFET方法比常規(guī)二極管橋改善了導(dǎo)通損耗和能效。安森美半導(dǎo)體的第一代GreenBridge系列集成雙P溝道和雙N溝道MOSFET(FDMQ8203)系列提供緊湊且熱增強(qiáng)的表面貼裝封裝,可以很好地解決此問題。導(dǎo)通損耗與MOSFET的RDS(ON)值有關(guān)。對于25 W系統(tǒng),在N溝道和P溝道MOSFET的RDS(ON)分別為110mΩ和190mΩ的情況下,計(jì)算出耗散功率為115 mW。這是二極管電橋功耗的四分之一。在90W的示例中,3.7 A的導(dǎo)通損耗為354 mW,低至二極管方案的13%。這節(jié)省看似相對較小,但是在使用數(shù)百個PoE傳感器的樓宇管理系統(tǒng)中,這差異可能是顯著的。

          第二代Quad MOSFET方案(FDMQ8025A)提供更高的額定功率、高能效的橋式整流器以及必要的門極驅(qū)動器,采用與第一代相同的小MPL 4.5 x 5mm封裝,,和小得多的RDS(ON),N溝道MOSFET僅35mΩ,P溝道MOSFET僅76mΩ。

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          電源電流路徑

          門極電流路徑

          圖5:GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案

          安森美半導(dǎo)體還提供PoE-PD接口控制器,任何設(shè)備都可成為兼容802.3af / at和-3bt的受電設(shè)備。NCP1095和NCP1096接口控制器含在PoE系統(tǒng)中運(yùn)行所需的所有功能,如浪涌階段的檢測、分類、自動分類和電流限制。兩個控制器采用內(nèi)部/外部傳輸晶體管,支持高達(dá)90 W的功率。它們還指示何時可以實(shí)施簡短的維持電源特征。附加的輔助電源檢測支持由PoE或墻式適配器供電。

          NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評估板使設(shè)計(jì)工程師可以快速評估兩個控制器的運(yùn)行,然后實(shí)施有助于設(shè)計(jì)過程的物理設(shè)計(jì)。它們包括GreenBridge2有源橋、RJ45連接器和局域網(wǎng)()變壓器。

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          圖6:NCP1095GEVB / NCP1096GEVB評估板

          總結(jié)

          最新批準(zhǔn)的IEEE 802.3bt以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)為更多耗電設(shè)備打開了市場,為性能更高的應(yīng)用開啟了大門。功耗的增加帶來了新的挑戰(zhàn),可以采用安森美半導(dǎo)體的精妙的PoE-PD方案來解決,該方案集成GreenBridge有源橋Quad MOSFET和易于實(shí)施的PoE-PD控制器。這些降低了新產(chǎn)品的風(fēng)險并縮短了上市時間,使以太網(wǎng)供電成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要市場競爭因素。



          關(guān)鍵詞: PSE PD IoT IIoT LAN

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