快速啟動IEEE 802.3bt的PoE++

經過五年的開發，將于2018年底完成，IEEE的下一個以太網供電（PoE）標準，也稱為PoE ++，有電源設備（PSE）和用電設備（PD）開發人員爭先恐后地尋找最新的硬件，這是理所當然的，因為PoE++為PD提供高達71.3 W的功率，幾乎是之前標準的25.5 W的三倍。 PoE++允許通過與千兆以太網的同一電纜發送52 V時的1.7 A， 為下一代高功耗應用奠定基礎 — 想想室外加熱云臺-俯仰-變焦攝像機網絡或用于蜂窩或 Wi-Fi 通信的遠程基站和接入點。

圖 1 顯示了一個基本的 PoE 框圖，其中單個 PD 連接到 PSE?，F在 802.3bt 標準已經定稿，PoE 開發人員將希望率先將他們的 PoE++ 設計推向市場。挑戰在于找到完全發布且合格的 PSE 和 PD 解決方案 100% 符合 802.3bt 標準。別再看了...

圖1.以太網供電框圖。

作為IEEE 802.3bt任務組的PoE先驅和活躍成員，ADI公司發布了PoE++ PD和PSE控制器，使PoE開發人員能夠根據802.3bt標準的最終版本進行設計。ADI公司LTC4291-1/LTC4292 PoE++ PSE控制器芯片組和PoE++ PD控制器的發布使開發人員能夠提供一個完整的端到端PoE++系統，該系統在現場久經考驗。我們將仔細研究 LTC4291-1 / LTC4292 芯片組的特別之處，并介紹它如何增強 IEEE 最新的 PoE 標準，并快速回顧 PoE++ PD 產品的主要特性。

LTC4291-1 / LTC4292 PSE 芯片組

LTC?4291-1 / LTC4292 是一款專為 PoE++ 系統設計的隔離式 4 端口 PSE 控制器芯片組。圖 2 是 LTC4291-1 / LTC4292 的簡化原理圖，其中顯示了四個以太網端口中的一個是如何供電的。該芯片組最新穎的特性是其集成隔離，因此采用了芯片組架構，其中 LTC4291-1 提供了一個與 PSE 主機的隔離式數字接口，而 LTC4292 則提供了一個高電壓以太網接口。IEEE 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 LTC4291-1 放在非隔離側，將 LTC4292 放在隔離側，最多 6 個昂貴的光耦合器和一個隔離電源被更便宜、更可靠的 10/100 以太網變壓器取代。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.LTC4291-1 和 LTC4292 PoE++ 四通道 PSE 芯片組的簡化原理圖。

用戶可通過 I 與 LTC4291-1 / LTC4292 通信2C 接口，可根據應用選擇四種 PSE 操作模式（自動、半自動、手動或關機）之一。LTC4291-1/LTC4292 使用兩個通道（兩個柵極驅動器）通過低至 40 mΩ R 的外部 MOSFET 控制電源路徑DS（開啟）.使用外部 MOSFET 允許用戶選擇低 RDS（開啟）組件，降低功耗，并解耦通道故障。使用 0.15 Ω 檢測電阻還可以降低功耗。我2C 接口允許端口配置、端口狀態監控以及端口電流、PoE 電源電壓和端口功率的遙測讀數。

802.3bt 引入了兩種不同的 PD 特征配置，即單特征 PD 和雙特征 PD。單特征 PD（圖 3）是一種 PoE++ PD，它在兩個對集之間共享相同的檢測簽名和分類簽名。雙特征 PD 是 PoE++ PD，每個對集上都有一個獨立的簽名;允許每個配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。此外，值得注意的是，802.3bt雙特征PD并不等同于試行標準的UPoE設備，盡管共享一個共同的架構。LTC4291-1 / LTC4292 支持更新的 PoE++ PD 檢測過程，并結合新的連接檢查子過程來確定將哪種 PD 特征配置連接到 PSE。

圖3.單特征與雙特征 PD 拓撲。

一旦執行了連接檢查，LTC4291-1 / LTC4292 將繼續驗證連接的 PD 是否符合 IEEE 標準。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 LTC4291-1 / LTC4292 通過采用兩種類型的檢測方案實現了更穩健的方案。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 直流電壓的網絡設備。

PoE++ 為四對導體（八根線）供電以提供電力，而以前的 PoE 標準使用傳統的兩對導體（四根線）供電。不僅啟用了新的更高功率水平，而且使用更多的導體為較舊的較低功率水平提供了更好的效率，因為電纜中的功率損耗減少了一半。例如，PoE+ PSE 需要提供 30 W 的功率，以確保 PoE+ PD 接收 25.5 W，其中 4.5 W 的功率在 100 米的 CAT5E 電纜上損耗。采用 PoE++ 標準為相同的 25.5 W PD 供電通常會將損耗降低到 2.25 W 以下，從而將整體供電效率從 85% 提高到 92.5%。當您考慮全球 PoE PD 的數量時，這意味著功率大幅降低，在許多情況下，碳足跡最多可降低 7.5%。

PoE++ 非隔離 4 個新的高功率 PD 類，使單特征碼類的總數達到 9 個，如表 1 所示。類 5 到 8 是 PoE++ 的新增內容，轉換為 40 W 至 71.3 W 的 PD 功率水平。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（例如，鏈路層發現協議 （LLDP））對 PD 進行分類，并且 PD 仍然需要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，第一個配對組上的 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、2 類 （10.3 W） PD。

PoE++ 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++ PSE（如 LTC4291-1 / LTC4292）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，例如，LTC4291-1 / LTC4292 在測量特定燈泡時將剩余功率分配給其他燈泡，因為亮度設置較低或電纜較短，消耗的功率低于其同類功率。

毋庸置疑，PoE++ 向后兼容較舊的 25.5W PoE+ 和 13 W PoE 標準。較低功率的 PoE+ 或 PoE PD 可以連接到更高功率的 PoE++ PSE，如 LTC4291-1 / LTC4292，而不會出現任何問題。而且，當表轉動并且更高功率的 PoE++ PD 連接到較低功率的 PoE+ 或 PoE 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 。出于這個原因，PoE+ 和 PoE++ 都需要降級，但不幸的是，在某些實現中被忽略了。

PD 實現

開發人員使用ADI公司的IC來最大限度地提高PoE++ PD性能。圖 4 顯示了帶有輔助輸入的高效、單特征 PoE++ 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。

圖4.帶輔助輸入的高效 IEEE 802.3bt 單特征 PD 接口的簡化框圖。

LT4321（如圖4中的RJ-45接口所示）是一款有源二極管橋式控制器，可替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++ 要求 PD 在其以太網輸入上接受任意極性的直流電源電壓，因此 LT4321 能夠平穩地整流，并將來自兩個數據對的功率組合成單個極性校正電源輸出。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。

在圖 4 中的理想二極管橋控制器之后是 PD 接口的大腦 — LT4295 是一款 PoE++ PD 接口控制器，集成了一個高效率正激式或無光耦反激式控制器。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電源效率，這在 PoE++ 標準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++ PD設計，PD可以選擇由電源適配器供電，圖4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++標準的批準迫在眉睫，因此開發人員可以放心地進入市場。PoE++ 標準高達 71.3 W 的更高功率水平，并具有豐富的新電源管理功能，開發人員可以利用這些功能來創建更加動態和優化的系統。PSE 開發人員應該欣賞ADI公司剛剛發布的LTC4291-1 / LTC4292 PSE四端口芯片組的穩健性和BOM簡化。同時，在電纜的另一端，PD開發人員繼續擁有多個ADI公司的IC，以減少熱量并提高電源效率。

審核編輯：郭婷