現在就實現IEEE 802.3bt 71W PoE標準

引 言

以太網供電 (PoE) 技術日益流行和成熟，因此供電設備 (PSE) 和受電設備 (PD) 開發人員熱切盼望追隨下一波IEEE潮流，開始通過以太網電纜提供更大功率，也就不足為奇了。不過，就像很多行業標準一樣，IEEE PoE標準的最終確定常常遠遠滯后于市場所需。IEEE PoE 特別小組的最新時間表顯示，71W 802.3bt 標準直到2018年初都不會準備就緒。從技術角度而言，這樣的等待時間太長了，等待這么久意味著很容易錯過商機或市場機會。那么，在這種情況下，PSE和PD開發人員應該怎么辦? 沒什么可說的，當然是現在就開始設計和制造設備！想讓產品率先進入 802.3bt 市場的開發人員今天有ADI公司的 LT4295 IEEE 802.3bt PD 控制器可用，該控制器符合標準草案 2.0 版要求。

圖1 IEEE 802.3bt PSE-PD 鏈路的典型方框圖

功率越大，潛力越大

不出所料，IEEE PoE 特別小組和開發人員的關注點一直落在最終為PD提供多大功率上。2003 年，IEEE PoE 特別小組在最初的 IEEE 802.3af PoE標準中規定，向PD輸入端的RJ-45插座提供約13 W功率。此后，市場不斷要求更大功率。因此在2009 年，IEEE PoE特別小組修訂了標準，發布了IEEE 802.3at (也稱為 PoE+)，將最大PD功率級提高到25.5 W。到今天，人們預計，目前正在制訂中的修訂版 IEEE 802.3bt 草案標準 2.0 (也稱為 PoE++ 或 4PPoE)將為PD提供高達71 W功率。

有了更大的功率，開發人員就可以非常容易地增加更多功能并升級已有產品。以安防攝像頭為例，這種應用一直隨著PoE標準的修訂而不斷演變。在僅有13 W功率可用時，最初的PoE供電安防攝像頭僅是簡單的靜止系統。然而，當802.3at分配了25.5 W 功率以后，就有了更大功率來驅動多種嵌入式電動機，從而使安防攝像頭可以提供上下、左右移動和變焦功能。現在，由于可以利用802.3bt的 71 W 功率，所以具備上下、左右移動和變焦功能的安防攝像頭還可以集成風扇和加熱組件，以支持在極端溫度下運行。在有些情況下，更高的 PoE 功率級有可能助力打開全新市場。例如，傳統LED照明設備制造商可能只生產安裝在天花板上、用墻上開關控制的照明燈，但是現在，它們可以生產支持PoE的產品，這將有助于為智能家居或智能建筑創造機會。無論更大的功率是否促進了最終產品的演變或徹底改變，很顯然的是，PoE 標準的每一次修訂都帶來了更大的市場潛力。

對 PSE-PD 鏈路的改變

正如您也許已經猜到的那樣：4PPoE 代表“4線對 PoE”，因為802.3bt規范利用以太網電纜中的所有 4 根雙絞線以實現長達100 m的功率傳輸；在較舊的PoE標準中，4線對功率輸送不兼容。圖1示出了IEEE 802.3bt PSE-PD鏈路的典型方框圖。電纜布線要求仍然懸而未決，但是電纜布線委員會和制造商正在猜測：802.3bt將要求至少采用Category 5E電纜，旨在支持增加的功率水平并以10GBASE-T (10 Gbit/s以太網數據速率) 運作。在任何場合，由于我們現今逐步達到以太網電纜的電流處理極限，因此可能要留意先前被忽視的電纜布線系統性能特征。

802.3bt引入了兩種新型PD拓撲：單特征和雙特征。單特征PD是在兩個線對(pairset)之間共用相同的檢測特征、分級特征和維持功率特征(MPS)的802.3bt PD，而雙特征PD則是在兩個線對之間具有獨立特征的802.3bt PD。毫無疑問，新的802.3bt設計將趨向于采用較為簡單和更具成本效益的單特征拓撲，該拓撲僅需要單個PD接口。雙特征PD需要兩個并行PD接口(每個線對各用一個)，來自兩個PSE的功率在每個PD接口之后相加。例如，雙特征拓撲實質上采用兩個25.5 W PD以構成單個51 W PD，這是一種成本有可能高達單特征51 W PD之兩倍的復雜解決方案。

802.3bt檢測過程已被擴展到不僅能夠辨別所連接的PD是符合802.3標準的PD，而且還可確定連接的是單特征PD還是雙特征PD。正因為如此，檢測功能如今利用“連接檢查” (Connection Check) 進行了擴充，以確定單特征或雙特征PD配置。

802.3bt規范引入了4種新的高功率PD分級 (Class)，從而使單特征類別的總數達到9個，如表1所列。Class 5～8對于PoE標準而言是新的，并轉化為40.0～71.0 W的PD功率水平。PSE仍然可選擇使用物理層(即：用于71 W的5事件分級) 或數據鏈路層(即：鏈路層發現協議，LLDP) 進行PD的分級，而且PD依然必需能夠支持兩種分級方案以與標準相符。另外，802.3bt 還可以實現物理層分級的一種任選擴展(稱為“Autoclass”)，在此擴展中一個 802.3bt PSE測量一個連接PD的實際最大吸取功率。舉個例子，這種便利的功率管理功能允許PSE把剩余的功率分配給附加的燈泡 (如果它知道某個特定燈泡所吸取的功率低于其分級功率)。

表1 IEEE 802.3bt PD 分級和功率水平

對于那些需要PD在深度睡眠模式之用戶，他們將很高興地發現：802.3bt規范提出了維持功率特征(MPS)的一種較低功率版本，被稱為“低 MPS”。根據較舊的PoE標準，PD必須以32%的占空比吸收一個小的DC電流，旨在告知PSE把PD保持在接通狀態。然而，這種相對較高的占空比在某些應用中會迅速成為一項負擔，比如：當您考慮新的“高效節能型”建筑標準時。目前，802.3bt PD僅需以～2%的占空比維持一個小的DC電流，因而大幅度地減小了待機電流。

表2匯總了802.3bt PD的類型(Type)和特性。您或許已經熟悉了Type 1和Type 2 PD，它們分別由802.3af和802.3at規范提出，并且通常映射到一種或多種獨特的分級 (功率水平)。然而，802.3bt的新型Type 3和Type 4 PD就不是那么簡單了。正如可從“PD 分級”欄看到的那樣，除了Class 0之外，Type 3 PD涵蓋和擴展了 Type 1 和 Type 2 PD 中的分級。相似地，Class 5被Type 3單特征和Type 4雙特征PD所采用。此外，從表1可知，一個 Class 5 單特征PD僅被分配了40 W，而一個Class 5雙特征PD則被分配了2×35.5 W；在雙特征PD中會使情況更加糟糕，因為每個線對獨立地工作，每個線對有可能處于不同的分級，例如：第一個線對上的Class 1(3.84 W)和第二個線對上的Class 2(6.49 W)形成了一個雙特征Class 1.2(10.3 W) PD。隨著雙特征PD的所有此類分級重疊和非標準功率水平的激增，重要的是開發人員和用戶等不再把PD類型與PD分級等同起來，也不再把PD分級與PD功率水平視為同義。作為替代，明確地識別PD的特征拓撲和分級并謹慎地檢查PD“類型”的真實含義對每個人都將是最有益的。

表2 IEEE 802.3bt PD 類型和特性概要

不言而喻，802.3bt可向后兼容802.3at和802.3af。一個較低功率802.3at或802.3af PD 可連接至一個較高功率802.3bt PSE，這不會有任何問題。而且，當情況反過來的時候，即一個較高功率802.3bt PD連接至一個較低功率802.3at或802.3af PSE，PD只需能夠工作在各自的較低功率狀態即可，這被稱為“降級”。如果PD忽略降級并工作在其最高功率狀態，則高耗電的PD將導致PSE反復地接通，達到其電流限值，然后關斷。這實際上使 PSE產生低頻寄生振蕩。因此，“降級”是802.3at和802.3af規范所要求的，但遺憾的是在許多實施方案中被忽視了。

盡可能地使用所有的可用功率

高功率PD設計最重要的方面通常是成本和效率，這在很大程度上受到選擇用于實現PD接口之IC的影響。此外，從事空間受限型設計的開發人員還痛苦地意識到怎樣限制PD的尺寸只會成為更大的挑戰，原因是較高的功率水平需要使用較大的分立組件和較大的散熱器。為此，ADI提供了三款專為實現802.3bt PD性能之最大化、可簡化工作任務而特別設計的IC。圖2示出了具有一個輔助輸入的高效率單特征802.3bt PD接口的簡化方框圖。該解決方案擁有高于94%的端到端(RJ-45輸入至PD負載)效率，并可在-40～125 °C 的溫度范圍內工作。

圖2 具有輔助輸入的高效率IEEE 802.3bt單特征PD接口的簡化方框圖

示于圖2中RJ-45接口上的LT4321是一款理想二極管橋控制器，其可取代兩個二極管橋式整流器 (圖 1)。LT4321 采用低功耗N溝道MOSFET橋以同時增加PD的可用功率并減少散熱量。802.3bt規范要求PD在其以太網輸入端上能夠接受任何極性的DC電源電壓，這樣LT4321可對來自數據線對和空閑線對的電源進行平滑地整流并將其整合為極性正確的單個電源輸出。由于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。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。

在圖2中位于理想二極管橋控制器之后的是PD接口的“大腦中樞”LT4295，其為一款符合 802.3bt標準的PD接口控制器，集成了一個高效率正激式或無光耦合反激式控制器。LT4295利用一個集成型25 kΩ特征電阻、高達5事件分級檢測和一種單特征拓撲支持所有9種PD分級和所有4種PD類型。除了提供更多的PD功率之外，使LT4295優于傳統PD控制器的因素是其采用一個外部功率MOSFET以大幅度地降低總體PD散熱量并實現電源效率的最大化，由于802.3bt的功率水平更高，因此這一點再次變得更為重要。這種新穎方法使用戶能夠按照應用的具體散熱和效率要求選擇MOSFET尺寸，從而允許選用導通電阻低至30 mΩ的MOSFET。

如果802.3bt的71.0 W讓您渴望獲得更多的功率，則可尋求ADI LTPoE++ PSE和PD控制器系列的幫助，這些器件能提供高達90 W的功率水平。LTPoE++規范采用了一種與802.3bt規范相似的分級方案，可使LTPoE++ PSE控制器與LTPoE++ PD控制器可靠地相互通信，同時保持與802.3at和802.3af設備的互操作性。只需一根電纜，就能實現LTPoE++ PD在LTPoE++ PSE 上的“即插即用”，所有的信號交換均利用硬件自動地處理，無需軟件！

最后，對于那些具有必須能支持一個輔助電源的802.3bt PD(除了PoE以外，PD還可選擇由一個電源適配器供電) 的用戶，示于圖2頂部的LT4320是一款9～72 V理想二極管橋控制器，其采用低損耗N溝道MOSFET替代了全波橋式整流器中的全部4個二極管，以顯著地降低功率耗散并增加可用電壓。由于電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器，因此可縮減電源和墻上變壓器的尺寸。另外，通過幾乎消除熱運行二極管橋中固有的兩個完整二極管壓降(約1.2 V，在12 V時為10%) 提供了額外的裕度 (從而增加了應用的儲備空間)，低電壓應用亦能從中獲益。

結 論