PoE供電的智能建筑(二)

美國國家消防協會 (NFPA) 將電氣和照明設備描述為美國商業火災的第三大原因，典型的根本原因是布線陳舊或有缺陷、電路過載、連接松動、保險絲故障、電氣負載不平衡，以及許多其他電氣或照明問題。這種情況會導致過熱，從而產生最終引發火災的火花。

主電源通過三根絕緣銅線傳輸長距離和短距離交流電：火線、零線和地線?；鹁€承載交流電勢差（120 VAC 或 230 VAC）。中性線完成電路并保持在或接近地電位或0V。地線是安全線，可在發生故障時將電路接地。簡而言之，與保險絲和斷路器一起，主電源將其總銅（接地線）的 33% 用于安全。

圖 1：2.5 mm2 實心銅電源線的橫截面（左），旁邊是相同比例的實心銅 23 AWG CAT6 電纜（右）（來源：以太網聯盟）

以太網供電 (PoE) 通過供電設備 (PSE) 和受電設備 (PD) 之間的以太網電纜傳輸短距離（最長 100 米）直流電。根據 PoE 標準，最多使用八根銅線來傳輸直流電源，包括返回路徑。簡而言之，PoE 沒有將任何銅線用于安全。在哲學和架構上，PoE 標準將安全控制從銅（電源）轉移到硅。這里有兩個好處；硅比銅便宜得多，您可以對硅進行編碼。你不能對銅進行編碼。

2 對電源與 4 對電源

以太網使用具有八個觸點的 RJ45 連接器。它們分為四個差分 (diff) 對（圖 2）。在 10BASE-T (10 Mbps) 和 100BASE-TX (100 Mbps) 網絡中，四個可用的差分對中只有兩個用于傳輸數據，這兩個對未使用。在千兆以太網 (1 Gbps) 網絡中，所有四個 diff 對都用于數據傳輸。

利用現有的 10/100/1000 以太網基礎設施，IEEE 802.3af（現在稱為 PoE），提供 350 mA/對，最大 57 V 和 IEEE 802.3at，提供 600 mA/對，最大 57 V（稱為 PoE 1) 使用這些未使用的線對供電，實現兩種替代模式；備選方案 A 或 B：

備選方案 A (PSE) 或模式 A (PD) 以差速方式傳輸電源。第 2 對和第 3 對

備選方案 B (PSE) 或模式 B (PD) 在差速器上傳輸電源。第 1 對和第 4 對

同時，PoE 2 或 IEEE 802.3bt 通過使用所有四個 diff 以 4 對電源運行。對以 960 mA/對最大為 57。這在 PSE 處達到 90 瓦。

圖 2：2 對電源與 4 對電源

IEEE 802.3bt (90 W) 分類

以太網聯盟進一步將這四種類型分為八個不同的類別，如圖 3 所示。對于供電設備 (PSE)，每個 PoE 2 類別 (5-8) 是一個 15-W 切片，而每個 PoE 2 類別是一個 11 -W 受電設備 (PD) 切片。類與類型的更精細切片優化了多端口 PSE 的效率，為連接的 PD 提供各種電源，尤其是隨著連接的 PSE 端口數量的增加。

圖 3：IEEE 802.3bt 分類

IEEE 802.3af/at/bt 供電階段

PSE 和 PD 之間的 PoE 供電遵循五個不同的階段，如下圖和圖 4 所示。

第一階段：檢測

第二階段：分類

第三階段：啟動

第 4 階段：運營

階段 5：斷開連接

PSE 包含一個與返回電流路徑串聯的 Rsense 電阻器，用于測量 PD 執行的任何電流吸收。PD 上還有一個 25k 下拉特征電阻，用于通知 PSE 檢測到。

圖 4：PoE 供電階段（來源：以太網聯盟）

階段 1. 檢測

當 PSE 和 PD 通過以太網電纜連接時，PD 向 PSE 提供一個 25 kΩ 下拉電阻（圖 4 右）。然后 PSE 在 500 毫秒窗口內執行兩次電流測量：

1) 強制 V 2.8 V，并測量 I

2) 強制 V 10 V，并測量 I

通過計算 ΔV / ΔI，如果 PSE 測量范圍為 19 KΩ 至 26.5 ΩK，則 PSE 可以接受檢測為有效。否則，PSE 必須拒絕檢測。執行差分測量的好處是任何周圍的噪聲（干擾源）對于每個測量都是公共的，因此會被拒絕（共模抑制）。

階段 2. 分類

在分類階段，PD 向 PSE 宣布其請求的類簽名或功率要求。分類階段分為五個類事件或時隙，如圖 5 所示。

1) 類簽名 0：1 mA 至 4 mA

2) 類簽名 1：9 mA 至 12 mA

3) 類簽名 2：17 mA 至 20 mA

4) 類簽名 3：26 mA 至 30 mA

5) 類簽名 4：36 mA 至 44 mA

圖 5：PD 生成的類簽名

該圖捕獲了在每個類事件（列）期間需要哪個類簽名（行），以便識別 PD 類（1-8）。例如，7 類 PD 在類事件 1 期間提供 40 mA，在類事件 2 期間提供 40 mA，在類事件 3 到 5 期間提供 18 mA。PSE 在每個時間事件期間測量 PD 的灌電流以了解 PD 的類。

PSE 負責強制施加下圖 6 中描述的電壓，而 PD 負責吸收多達五個不同的電流水平，稱為類簽名。

圖 6：類簽名和當前級別

自動分類

如圖 5 所示，類事件 1 比其他類事件長。這是 802.3bt 獨有的，而不是 802.3at 或 802.3af 的情況。如果 PD 也符合 802.3bt，則 PD 可以在 Class Event 1 的 81 毫秒內更改為類簽名 0（1 到 4 mA），這會通知 802.3bt PSE PD 也是 802.3bt 并支持 Autoclass。

PD 開啟后，PD 提供最大功率約 1.2 秒。PSE 測量 PD 功率，增加一些余量，這成為 PSE 提供的新的優化功率水平。

Autoclass 優化 PSE 功率分配。例如，如果 PD 在運行期間需要最大 65W 的功率，則 PD 會將自己標識為 PSE 的第 8 類，以保證 PD 的 65W。如果沒有 Autoclass，PSE 將分配 90W，以確保 PD 獲得 65W。使用 Autoclass，PSE 可能僅讀取 66.5 W（短電纜長度），+ 1.75 W 余量 = 68.25 W 分配。節電為 21.75 W，或約 25%。盡管這看起來并不重要，但如果 PSE 交換機有 8 個 802.3bt 端口，Autoclass 可以優化每個端口（具有各種電纜長度），從而可能節省數百瓦的總效率。

第三階段：啟動

在啟動階段，PSE 負責將 1 至 4 類的浪涌電流限制為 450 mA，將 5 至 8 類的浪涌電流限制為 900 mA。

在啟動階段，PD 負責將 1 – 6 類的負載電流限制為 400 mA，將 7 – 8 類的負載電流限制為 800 mA。

階段 4-5：操作、斷開和 MPS

保持功率簽名 (MPS) 是一種?；罟δ?，其中 PD 從 PSE 接收周期性電流脈沖，以通知 PSE PD 尚未斷開連接。如果 PSE 在 400 毫秒后沒有收到來自 PD 的 MPS，則 PSE 必須斷開 PD 的電源。

IEE 802.3bt PD 應用框圖

圖 7 描繪了受電設備 (PD) 的典型 802.3bt 應用圖。從左到右，變壓器 AC 將以太網 10/100/1000 數據耦合到附近的處理器。全波整流由 GreenBridge? 2 完成，比傳統的硅二極管電橋消耗更少的功率。ON Semiconductor ?的 NCP1095（引腳 7）提供 25kΩ 檢測下拉電阻，而引腳 2 和 3 按類別（電阻值）確定 PD 的功率要求，在連接后的分類事件期間與 PSE 通信。引腳 6、8、9 和 10 通過外部 Rsense 和傳輸門共同控制浪涌和過流保護 (OCP)。與配套處理器的三位通信在引腳 13、15 和 16 上完成。引腳 14 PGO 引腳在電源輸出良好時通知下游 DCDC 設備。引腳 4 允許 NCP1095 從本地輔助電源供電，而引腳 6 控制 Autoclass，這是 802.3bt 的新功能。

圖 7：802.3bt 應用圖

ON Semiconductor 還提供集成了外部 FET 和 Rsense 的 NCP1096 控制器。

您可以對硅進行編碼

保險絲、斷路器和地線是用于防止電氣火災的相對鈍器，尤其是與 IEEE 802.3bt 的特性相比時。它提供的電源配置功能，例如分類、自動分類、浪涌和 MPS，都非常出色。例如，在使用市電時，隱藏在墻壁或天花板中的嚙齒動物很容易在沒有任何警告的情況下引起電氣火災。相反，如果 PD 沒有每 400 毫秒向 PSE 提供 MPS，則 PSE 會自動斷開 PD 的電源。

人們可以很容易地想象編寫一個 PSE 來捕獲計劃外的斷開連接，這會觸發 IT 部門的早期警告標志，從而有可能防止諸如建筑物火災之類的災難性事件。同時，Classification and Autoclass 智能地分配負載所需的確切功率。這是一種非常安全有效的配電方式。如前所述，硅比銅便宜很多，您可以對硅進行編碼，但不能對銅進行編碼。

審核編輯：湯梓紅