以太網供電(PoE)系統標準詳解

在過程自動化系統中，必須監測和測量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數。在工業4.0時代，以太網是通用通信標準。由于以太網是有線網，而發送器和傳感器通常需要電源，這樣問題就來了：為何不使用以太網電纜同時進行數據傳輸和供電？

本文介紹以太網設備如何同時使用電纜傳輸數據和供電。以太網供電(PoE)系統在工業中廣泛使用，未來也將發揮重要的作用。

PoE標準

通過Cat-5電纜供電在IEEE 802.3af以太網供電標準中進行了定義。PoE標準以前限制在幾瓦以內，但更新的PoE技術可實現更高的功率。例如，PoE+允許每端口功率高達25 W，而PoE++（四 對以太網供電系統）通過使用現有電纜的所有電線允許70 W到100 W的功率。與此PoE標準并行的是ADI公司定義的專有標準 LTPoE++，該標準定義高達90W的受電設備(PD)功率規范（請參見表1）。

表1. ADI的最新PoE標準

LTPoE++ 降低了PoE系統與類似解決方案相關的技術復雜性。即插即用功能、易于實現和安全可靠的電源是LTPoE++的其他特性。此外，LTPoE++還可與IEEE的標準PoE規范互操作和向后兼容。但是，由于系統損耗和電纜損耗，實際可用功率略低于指定的PD功率，PoE+和PoE++也是如此。

PoE組件

通過以太網電纜給設備供電主要需要兩個組件：受電設備和供電設備(PSE)。

圖1. 顯示PoE系統的主要組件的方框圖。

PSE負責像電源一樣供電，而PD接收并使用功率（負載）。PSE設備在通電時有一個簽名過程，以保護不兼容設備在連接時不受損壞。這涉及先檢查PD的簽名電阻。僅當此值正確時(25kΩ)， 才會為PD供電。如果PSE檢測到PD，會先開始分類；即確定連接設備的電源要求。為此，PSE將施加規定電壓并測量產生的電流。然后根據電流電平將PD分配至一個功率等級。如果一切正常，將供應全部電壓和電流。一旦為PD供電，PD就要負責將–48 V的PoE電壓轉換為適合終端設備的電源電壓。在典型的PD設計中，使用一個附加DC-DC轉換器（二極管橋控制器）。該DC-DC轉換器負責調整或覆蓋PD提供的組件的電源要求。更新的IC已經能夠將接口和DC-DC轉換器集成到一個低功率等級的組件中，這就簡化了設計。

根據IEEE 802.3 PoE規范，PD必須通過其以太網輸入接受任何極性的直流工作電壓，因此PD的輸入前端需要兩個二極管橋。因此，不管使用什么線對，PD也都可以使用反極性工作。

PD實現變得簡單

在ADI的LT4276中，存在符合LTPoE++-, PoE+-和PoE標準、具有集成隔離式開關穩壓器的PD控制器。它可以同時用于正激和反激拓撲，以及2 W至90 W的功率等級。與較低功率等級的傳統PD控制器不同（它也有集成功率MOSFET），LT4276提供驅動外部MOSFET的選項。通過這種方式，PD減少了損耗，提高了效率。

由于IEEE 802.3以太網規范要求從設備外殼的接地處進行電氣隔離，LTC4290/LTC4271 隔離式控制器芯片組適合用作PSE。LTC4271代表非隔離側PSE主機的數字接口，而LTC4290在隔離側提供以太網接口。這兩個組件通過簡單的以太網變送器連接。通過這種可靠的PSE芯片組設計，可避免使用產生隔離電源的附加組件。

如果用理想二極管替換PD側全橋整流器的兩個二極管，可提高整個PoE系統的功率和效率。因此，就像對待典型二極管一樣使用和控制MOSFET。通過這種方式，由于低通道電阻(RDS(ON))。正向電壓大幅降低。將LT4321理想二極管電橋控制器和LT4295 PD控制器結合，可以全橋配置控制四個MOSFET（參見圖3）。

圖2. PoE電路示例。

圖3. 傳統二極管整流與通過二極管電橋控制器驅動。

借助PoE，可在為以太網設備供電的同時通過RJ45電纜進行實際數據傳輸。ADI開發了自己的專有標準LTPoE++，該標準支持高達90W的功率，與傳統PoE標準并行。LTPoE++提供的可靠、端到端、高功率PoE解決方案簡化了電源和設計。

新的Chronous產品系列是ADI創新工業以太網產品系列。它包括實時以太網交換機、PHY、協議處理產品，以及完整的網絡接口產品。ADI推出兩個可靠的工業以太網PHY新產品ADIN1300（速率范圍為10 Mbps至1 Gbps）和ADIN1200（速率范圍為10 Mbps至100 Mbps），由此擴大了Chronous產品系列。通過將這些新的PHY和ADI的PoE技術相結合，Chronous產品系列實現了出色的系統級電源和數據解決方案。

審核編輯：湯梓紅