以太网供电 (POE)：增加物联网使用的推动力

以太网供电 (POE) 是一个不断发展的领域，它允许通过现有的以太网电缆传输直流电。以太网数据传输范围可以从较旧和较慢的 10base-T 和 100Base-T 到较新的千兆位速度，如 1000Base-T、2.5GBase-T 和 5GBase-T。它们通常使用由 8 根线组成的 Cat5e 电缆，排列成 4 对，以差分模式传输和接收数据。千兆位速度要求所有 4 对都用于数据，而较慢的格式使用 2 对作为备用。100m 是设备到设备的最大电缆长度。

基本级别的 POE 包括为电缆提供电力的电源设备 (PSE) 和接收该电力并驱动负载或应用程序的接收端的电源设备 (PD)。

电力作为两个线对之间的共模电压发送。最简单的方法是在 10Base-T 和 100Base-T 上可用的备用线对上提供始终开启的电源，而 PSE 和 PD 之间无需通信/协商。这称为无源 POE，例如，可用于为无线电天线提供 24V 电压。如果负载发生变化或出现故障，它也是最不灵活且可能不安全的。从 2003 年开始，已经为主动 POE 交付方法开发了几个标准，称为 IEEE 802.af、802.at 和最新的 802.bt。这些标准规定了 POE 的整个环境，包括功率等级、PSE 和 PD 之间的协商和握手协议等。

有关这些 IEEE 802 标准中分类的各种 POE 模式的一些特性的基本指南。可以看出，最近的 IEEE 802.bt 标准的功率能力已显着提高。早期的标准主要用于基本的 IP 电话、静态安全摄像头和 Wifi 接入点。扩大其使用范围的需要促使更高的功率类别。这些现在可以服务于更广泛的应用用途，例如具有倾斜/缩放功能的全视频安全摄像机、销售点 (POS) 终端、网络打印机、照明甚至计算机。通过增强型 POE 标准的标准 Cat5e 以太网线路上的 48V DC 传输可以促进在结构中内置 LVDC 的智能建筑的实现，从而实现更高效、

除了增强的供电能力外，802.bt 还使供电更智能、更灵活。例如，一些新功能现在包括：

1. 自动分类：PSE可以根据PD的实际用电量动态调整下发的功率等级

2. 两种可互操作的 PD 分类称为“单签名”和“双签名”。这些图还显示了使用带中心抽头的变压器产生通过双绞线传输的共模电压的基本框图。例如，在双签名模式下，可以通过以太网连接馈送两种不同的负载等级，例如相机和网络打印机。

3. 保持功率特征 (MPS) 允许 PD 在特定持续时间使用脉冲向 PSE 发出它正在保持功率的信号。此 MPS 脉冲持续时间已降低，以允许更低的待机功耗

4. 另一个改进是扩展的功率能力，PD 测量通过传输的实时功率损耗，从而测量所需的最小功率，从而节省了超过硬定义规范的功率。

让我们更详细地看一下定义 POE 的关键块：

1)PSE

在许多方面，这可以被认为是主设备，因为它根据从 PD 接收到的反馈以及它自己的能力来控制电力输送检测和分类。它确保完成正确的握手并且 PD 是一个实际的 POE 设备。一般来说，PSE有2类：

a)端点：PSE 是一个以太网交换机，它允许以太网数据和 POE 电源从源头传输。

b) 中跨：也称为注入器，将 POE 注入现有的以太网数据线

PSE 的安全标准已在 IEEE 802.3xx 和 IEC 609500-1 中定义，要求在 50-60 Hz 下 1500 Vrms 隔离 60 秒，并且能够承受 1500V、10/700 us 施加 10 次而没有任何绝缘击穿。这是在 48 V 电源和承载它的线对和任何机箱接地以及 PSE 中的逻辑电路之间。一些微控制器 (MCU) 制造商拥有包含 PSE 芯片组的 POE 解决方案，其中连接到主机的数字部分位于 MCU 芯片上，而 POE 数据输出由与此电隔离的混合信号芯片控制单片机。这方面的例子包括 Microchip Technology 的 PD69210/PD69208 和 Analog Devices 的 LTC4291/4292。芯片组之间的隔离可以是光学的或使用 1:1 变压器。PSE 在启动期间通过限制浪涌电流来保护 PD 电路，具体取决于类别，并提供其他安全功能，例如在检测到线路/PD 上的故障或发现 PD 不正常时移除电源汲取力量。Microchip Technology PD692xx PSE 系列对芯片和驱动器进行温度监控MOSFET并在超出限制时关闭输出端口电源。

2) PD

由于 POE 电源可以在任一极性上传输中，因此 PD 提供了需要全二极管桥接的极性保护。PD 向 PSE 提供签名以允许进行有效检测。检测是通过来自 PSE 的一系列低压测试脉冲完成的。PD 上的精密电阻器(23.7 至 26.3 kOhms 以及 50 至 120nF 的输入电容)确保检测。接下来，正确功率级别的分类阶段需要基于 PD 上使用的电阻器进一步进行 PSE 到 PD 握手。PD 必须提供与上述 PSE 部分中描述的从接地到任何用户可访问部件的相同级别的隔离。PD 通常会将 48V 电源提供给 DC/DC 转换器，例如降压转换器，理想情况下，它应该与 PD 隔离。在 PD 前端使用的二极管桥最好是理想二极管桥 (IDB)。由于大大降低了正向电压降，使用 MOSFET 代替二极管可显着提高电桥的效率。

八个 MOSFET 将用于所有四对所需的两个电桥。它们的额定电压通常至少为 100V BVDSS。控制器芯片将控制 IDB 门。HS NMOS FET 需要使用电荷泵驱动，以确保正常工作的 Vgs。Onsemi 的 FDMQ8205A IDB 使用的另一种选择是在高端使用 PMOS 器件，然后只需要一个二极管和齐纳二极管从 POE 输入驱动到电桥以保持正确的 Vgs，因此不需要电荷泵. IDB MOSFET 也可以集成到 IDB 控制器中，FDMQ8205A 就是这种情况。PD 控制器驱动一个输出 MOSFET，它可以在内部集成到为 DC/DC 转换器供电的控制器芯片中。此外，许多 PD 控制器现在也集成了 DC/DC 控制器。这方面的一个例子是德州仪器的 TPS 2370 PD，它带有一个集成的 DC/DC 控制器。该控制器支持 1-6 类(最大 51W)，并具有具有反激或有源钳位正向功能的 PWM。

3) 浪涌和浪涌保护：由于以太网电缆暴露在外部环境中，需要通过 POE 设置提供保护，以防止损坏任何用户设备以及 PSE/PD 电路。已为此定义了 EN 61000 4-5、ITU-T K21 和 GR-1089 等标准。这包括共模保护(即线对和地之间)以及线对线差模保护。保护设备通常包括 58V 瞬态电压抑制器 (TVS) 以及金属氧化物压敏电阻 (MOV)，可用于提供双向瞬态浪涌保护，例如雷击引起的浪涌保护。例如，PD 输出驱动器 MOSFET 还需要处理来自电容充电 (I = C dV/dt) 的初始 POE 启动的浪涌电流，并且可靠性测试需要涵盖这方面。