PoE 2 PD控制器使開發人員提供完整的端到端PoE 2系統

介紹

IEEE最新的以太網供電（PoE）標準，也稱為PoE 2或802.3bt（以前稱為PoE ++），剛剛成立3歲，但其應用仍然比以往任何時候都更強大。盡管由于 2019 年冠狀病毒病 （COVID-19） 導致遠程工作有所增加，但每年部署的供電以太網端口數量仍在繼續增加。雇主一直在利用空辦公桌并將IT基礎設施升級到面向未來的工作場所，希望他們最終能夠恢復滿員。創建智能辦公室涉及為辦公空間配備連接到互聯網的多個物聯網設備，包括會議室標牌、電話會議設備和各種傳感器。智能辦公室的好處包括節能、簡化業務運營，也許最重要的是，提高員工的工作場所安全性。COVID-19 只會加速對控制良好的建筑供暖、通風和空調 （HVAC） 系統以及眾多非接觸式公共物品的需求，迫使設施和 IT 經理協作和部署支持 PoE 的系統。據650集團市場研究公司稱，到2025年，全球出貨的交換機/PoE端口數量預計將超過1.5億個。

當 PoE 2 于 2018 年獲得批準時，它為用電設備 （PD） 提供的功率高達 71.3 W，幾乎是之前標準的 25.5 W 的三倍。 PoE 2 允許通過千兆以太網通過同一根電纜發送電源，為許多昨天、今天和未來的電力和數據密集型應用奠定了基礎，包括遠程溫度監控系統和熱像儀，用于在人員進入入口前篩查 COVID-19工作現場。

圖 1 顯示了一個基本的 PoE 框圖，其中單個 PD 連接到供電設備 （PSE）。在過去的幾代 PoE 中，單個電源通道足以為每個 PoE 端口供電?？爝M到 802.3bt，其中每個端口需要兩個電源通道來實現中高功率水平，還需要考慮每個通道更高的功率密度。全球以太網市場見證了支持 PoE 的端口的滲透率不斷提高。所有這些因素導致IT部門需要部署大量高功率密度、高端口數的系統，同時要求五個9的正常運行時間（99.999%）和可靠性。一個真正可擴展的 PoE 子系統，可以簡化高端口數、支持 PoE 的交換機的部署，這早就應該了。

圖1.以太網供電框圖。

作為PoE的先驅、IEEE 802.3bt任務組的成員以及以太網聯盟的積極參與者，ADI公司長期以來一直是業內首屈一指的PSE和PD控制器供應商，為當今現場部署的數億個端口做出了貢獻。發布的ADI LTC9101、LTC9102和LTC9103高端口數PSE芯片組以及ADI的任何PoE 2 PD控制器使開發人員能夠提供完整的端到端PoE 2系統。 讓我們仔細看看是什么讓這個新平臺在當今市場上與眾不同。

基于平臺的 PSE 設計方法

現代交換機是高度復雜的系統，通常暴露在惡劣的環境條件下，包括浪涌和電纜放電事件，并且必須提供高系統可靠性和正常運行時間。過去的 PSE 架構方法從組件級別看待 PSE 子系統設計，專注于增量組件改進，而這些改進不一定能優化集體系統性能。從更高層次看待PSE子系統迫使ADI的設計團隊重新思考PSE范式并提供系統級解決方案。LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 和未來的衍生產品將采用這種系統級方法，將數字和模擬組件整體組合在一起，以解決系統集成商面臨的 PSE 挑戰，包括表 1 中列出的挑戰。

LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 是專為 PoE 2 系統從基板向上設計的自隔離 PSE 控制器芯片組的一部分。圖 2 顯示了一個簡化的原理圖，以及如何為多達 48 個以太網端口中的一個供電。該芯片組最新穎的特點是其集成隔離。因此，芯片組架構，其中 LTC9101 為 PSE 主機提供一個隔離的數字接口，而多個 LTC9102 和/或 LTC9103 則提供高壓模擬以太網接口。802.3 以太網規范要求網段（包括 PoE 電路）與機箱接地和 PHY 電氣隔離。通過將 LTC9101 放在非隔離側，將 LTC9102 或 LTC9103 放在隔離側，最多六個昂貴的光耦合器和一個隔離電源被一個更便宜、更可靠的 10/100 以太網變壓器所取代。這種拓撲結構不僅可以節省成本，還可以實現更堅固和可制造的PSE設計。

圖2.LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 PoE 2 24 端口 PSE 芯片組的簡化原理圖。

這種可擴展的解決方案能夠靈活地實施大型 PSE 系統，從 4 到 48 個端口不等，具體取決于每個端口需要多少功率。每種設計都需要至少一個 LTC9101 數字控制器和一個或多個 LTC9102 / LTC9103 模擬控制器。

LTC9102 提供 12 個電源通道，其中每個通道為以太網電纜中的四對電線中的兩對供電，為從 12 個 30 W 端口（每個端口使用一個電源通道）到 6 個 90 W 端口（每個端口使用兩個電源通道）的任何端口供電。

同樣，LTC9103提供8個電源通道，可用于為8個30 W端口至4個90 W端口等任何端口供電。

單個 LTC9101 可管理多達 4 個可混合和匹配的 LTC9102 和 / 或 LTC9103。例如，一個LTC9101、一個LTC9102和兩個LTC9103可用于實現具有4個90 W端口和20個30 W端口的24端口PSE，如圖3所示。

圖3.LTC9102/LTC9103混合匹配實現示例：24 端口 PSE，具有 4 個 90 W 端口和 20 個 30 W 端口。

IT 和設施經理都將欣賞 LTC9101 的第六代數字功能，包括用于存儲固件更新和定制用戶配置包的內部 eFlash、向后兼容 LTC4291 4 端口 PoE 2 PSE 驅動器，以及 I2C 串行接口。LTC9101 的現場可升級固件映像存儲在專用閃存分區中，其中預配置了一個完全兼容的 IEEE 802.3at/bt 固件映像。固件映像的兩個完整副本在單獨的 ECC 和 CRC 保護下進行維護，以實現最大的數據保護。成功啟動芯片組后，用戶可以通過LTC9101的I進行配置并與芯片組通信2C 接口，其中每個端口可以獨立配置為四種 PSE 操作模式（自動、半自動、手動或關機）之一，端口電流、PoE 電源電壓和端口電源的遙測讀數可用于管理系統電源。

LTC9101 是芯片組的大腦，而 LTC9102 / LTC9103 則以多種方式為高壓電源路徑提供高效率和耐用性。每個 LTC9102 / LTC9103 電源通道均采用專用的檢測和分類硬件實現。這允許所有端口同時檢測、分類和上電，從而大大減少交換機上的上電延遲。其他不太高級的 PSE 作為 PD 會受到明顯的延遲;例如，LED 燈以串行端口為基礎供電。LTC9102 / LTC9103 使用一個外部 MOSFET 控制每個電源通道，從而允許用戶選擇低 RDS（ON）組件，降低功耗，并解耦通道故障。使用0.1 Ω檢測電阻進一步有助于降低功耗。

在發生過流故障或端口短路時，LTC9102/LTC9103 可在 ~1 μs 內快速斷電，以保護 PSE、MOSFET 和下游電路。此外，所有面向端口的引腳均可承受高達+80 V或低至–20 V的電壓瞬態事件，而不會造成損壞。也許最令人印象深刻的是，根據IEC 61000-4-5浪涌抗擾度規范（DC3160演示板展示了此功能），該芯片組能夠以最少的外部組件在超過±6.5 kV的浪涌下工作。在任何故障之后，LTC9102 / LTC9103 都會以一種安全、電流受限的方式快速重新接通 MOSFET，同時最大限度地減少對 PD 的中斷，這對于最大限度地延長網絡正常運行時間至關重要。

PoE 2 拓撲、檢測方案和功率等級

PoE 2 引入了兩種不同的 PD 簽名配置，即單簽名和雙簽名 PD。單特征 PD（圖 4）是一種 PoE 2 PD，它在兩個對集之間共享相同的檢測特征和分類特征。雙特征 PD 是 PoE 2 PD，每個對集上都有一個獨立的簽名，允許每個對集具有完全獨立的分類和功率分配。雙特征PD是復雜的解決方案，其成本是單特征PD的兩倍。值得注意的是，802.3bt 雙特征 PD 并不等同于預標準的 UPoE 設備，盡管共享一個通用架構。LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 支持穩健的 PoE 2 PD 檢測過程，該過程結合了新的連接檢查子過程，以確定將哪種 PD 特征配置連接到 PSE。

圖4.單特征與雙特征 PD 拓撲。

除了執行連接檢查外，設備還會驗證連接的 PD 是否是符合 IEEE 標準的合法 PD。雖然IEEE要求PSE使用2點電壓或2點電流檢測方案檢測有效的PD特征（25 kΩ），但LTC9101/LTC9102/LTC9103通過采用兩種類型的檢測方案來實現更穩健的方案。這種多點（多電壓和多電流）檢測方案用于消除誤報，并避免損壞不設計為承受PoE DC電壓的網絡設備。

PoE 2 為兩對導體（四根線）通電，以提供高達 25.5 W 的功率，并為四對導體（八根線）通電，以提供高達 71.3 W 的功率。不僅可以實現更高的功率水平，而且使用更多的導體可以為較舊的較低功率水平提供更好的效率，因為所有導體通電后，電纜中的功率損耗將減少一半。例如，PoE 1 （PoE+） PSE 提供 30 W 的功率，以確保 PoE 1 PD 接收 25.5 W 的功率，其中 4.5 W 的功率在 100 米的 CAT5e 電纜上損耗。使用PoE 2為相同的25.5 W PD供電的四對可將損耗降低到2.25 W以下，從而將供電效率從85%提高到92.5%。當您考慮全球 PoE PD 的數量時，這意味著功耗大大降低，并且在許多情況下，碳足跡最多可降低 7.5%。

PoE 2 引入了 4 個新的高功率 PD 類，使單特征類的總數達到 9 個，如表 2 所示。類 5 到 8 是 PoE 2 的新增內容，可轉換為 40 W 至 71.3 W 的 PD 功率級別。PSE 仍然可以選擇使用物理層（即 71.3 W 的 5 事件分類）或數據鏈路層（即鏈路層發現協議 LLDP）對 PD 進行分類，并且 PD 仍然必須能夠支持這兩種分類方案才能合規。請記住，由于每個對集在雙特征 PD 中獨立運行，因此每個對集可以是不同的類。例如，第一個對組上的 1 類 （3.84 W） 和第二個配對組上的 2 類 （6.49 W） 將構成雙特征 1 類和 2 類 （10.3 W） PD。

PoE 2 PD 還可以實現物理層分類的可選擴展，稱為自動分類，其中 PoE 2 PSE 如 LTC9101/LTC9102/LTC9103 芯片組測量所連接 PD 的實際最大功耗。通過這樣做，這種方便的電源管理功能允許在其他燈泡測量特定燈泡時將“剩余”功率分配給其他燈泡，由于亮度設置較低或電纜較短，消耗的功率低于其類別。

毋庸置疑，PoE 2 向后兼容較舊的 25.5 W 和 13 W PoE 1 標準。低功耗 PoE 1 PD 可以連接到更高功率的 PoE 2 PSE，不會出現任何問題。而且，當工作臺轉動并且較高功率的 PoE 2 PD 連接到較低功率的 PoE 1 PSE 時，PD 可以在協商的低功耗狀態下運行，這稱為降級。如果 PD 忽略降級并在其最高功率狀態下運行，則耗電的 PD 將導致 PSE 反復打開，達到其過電流，然后關閉 - 實際上，摩托艇使 PSE 。因此，PoE 1 和 PoE 2 PD 都需要降級，但不幸的是，在某些實現中被忽略了。

最高效的局部放電

ADI提供多種獨特的IC，包括由Maxim Integrated（現為ADI的一部分）設計的IC，以最大限度地提高PoE 2 PD性能。圖 3 顯示了帶有輔助輸入的高效單特征 PoE 2 PD 接口的簡化框圖。該解決方案提供大于 94% 的端到端（RJ-45 輸入至 PD 負載）效率，工作溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

LT?4321（如圖5中的RJ-45接口所示）是一款有源二極管橋式控制器，可取代所需的二極管橋式整流器。LT4321 采用低損耗 N 溝道 MOSFET 電橋來同時增加 PD 的可用功率并減少散熱。PoE 2 要求 PD 在其以太網輸入上接受任何極性的 DC 電源電壓，因此 LT4321 能夠平穩地整流，并將來自兩個數據對的功率組合到單個極性正確的電源輸出中。由于增強的功率效率實際上消除了散熱要求，因此降低了整體電路尺寸和成本，并且節能10×或更多使PD能夠保持在分類功率預算范圍內或添加其他功能。

圖5.帶輔助輸入的高效 IEEE 802.3bt 單特征 PD 接口的簡化框圖。

圖 5 所示的理想二極管橋控制器是 PD 接口的大腦 — LT4295 是一款集成了一個高效率正激式或無光耦反激式控制器的 PoE 2 PD 接口控制器。LT4295 支持所有 9 個 IEEE PD 類別，具有一個集成的 25 kΩ 特征電阻器、多達 5 個事件分類和一個單特征拓撲。除了提供更多的 PD 功率外，LT4295 相對于傳統 PD 控制器的優勢在于它使用了一個外部功率 MOSFET，以再次大幅降低整體 PD 散熱并最大限度地提高功率效率，這在 PoE 2 的較高功率水平下變得更加重要。

對于那些需要能夠支持輔助電源的PoE 2 PD設計，其中PD可以選擇由電源適配器供電，圖3頂部所示的LT4320是一款9 V至72 V有源二極管橋式控制器，它用低損耗N溝道MOSFET取代全波橋式整流器中的四個二極管，以顯著降低功耗并增加可用值電壓。電源和壁式電源適配器的尺寸可以減小，因為增強的電源效率消除了笨重且昂貴的散熱器。低電壓應用還可以從熱運行二極管電橋固有的近兩個全二極管壓降（~1.2 V，12 V時為10%）提供的額外裕量中受益，從而增加應用裕量。

結論

PoE 2 在當今不斷增長的全球以太網市場中仍然非常重要，即使在遠程工作持續占主導地位的情況下也是如此。使用支持 PoE 的掃描儀、攝像頭和其他系統改造建筑物以保護員工的小型、中型和大型企業比以往任何時候都更需要高端口數 PSE。ADI 的 LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 PSE 芯片組使交換機供應商能夠高效、可靠地為多達 48 個以太網端口供電，同時為設施和 IT 經理提供先進的電源管理功能，從而滿足這一需求。同時，在電纜的另一端，PD開發人員繼續擁有多個ADI IC，以提高集成度、減少熱量并提高電源效率。