如何进行物联网的以太网供电设备的设计

W-LAN等基于无线电的无线传输技术带来了三个挑战：基于无线电的电池供电设备必须定期充电，W-LAN的频带处于饱和状态，并且更高的功率要求需要网络连接。以太网供电解决了这些问题。

具有Internet连接的设备基于两个基本功能：通信回传和电源。物联网设备还附带安全性。多年来，无线，即基于无线的传输技术（例如WLAN）一直是事件的中心，但带来了三个挑战。基于无线电的电池供电设备必须定期充电，并且WLAN的频段处于饱和状态-这都是当今常见的问题。更高的电源要求还需要网络连接，这会使安装点变得复杂并受到限制。

以太网供电（PoE）通过现有的以太网基础架构提供灵活性，可靠性，安全性和电源来解决这些问题。自2003年由IEEE引入以来，PoE取得了长足的发展。IEEE 802.3bt的最新批准使其成为市场上的重要竞争对手，通过Cat5 / Cat6电缆提供10G-BASE-T和60至90W的功率。

更高效

最初，类型1电源设备（PSE）只能提供高达15.4 W的功率。Type 2的功率增加了一倍，达到30 W.今天于2018年9月发布的Type 3和Type 4分别提供60和90 W的功率。这打开了与互联网兼容的设备的世界，包括无线电和手机基站，云台变焦-（PTZ）和半球摄像机，电视，交互式显示器和信息亭。单根低压电缆与高速数据通信相结合，意味着更少的布线，是楼宇智能维护，物联网（IoT）和工业物联网（IIoT）安装的理想选择。

以太网供电是使用现有以太网网络为终端设备供电的有线通信和电源系统。电源设备（PSE）通过8条线为受电设备（PD）供电，这些线设计为具有RJ45连接的四根双绞线电缆（Cat5 / Cat5e / Cat6 / Cat6a）。PSE在端点提供的电压最高为57V。由于此电压低于60 V，因此符合安全特低电压（SELV）指令，该指令使系统电气安全，并且不需要合格的电工或埋葬电缆，从而简化了安装和维护。该标准将每个端口的功率限制为90 W，这是最大功率，

该版本原定于2017年发布，在实际引入该标准之前会不断进行更新，以确保与以前的版本向后兼容。PoE规范的最新更新IEEE 802.3bt引入了Type 3和Type 4 PSE和PD。为了提供更高的电流，新标准允许同时使用称为4对或4PPOE的两种功率模式（模式A和模式B），并为四对功率提供功率，而不是类型1和2中的两种功率。

添加了四个附加的类（5至8年级），它们具有改进的相互识别和自动类功能。此更新还提供了更低的待机功耗，并支持PoG以及10G-BASE-T。

利用以太网供电进行开发

开发PD时，必须考虑某些功能，包括操作模式，PD检测和分类。为了避免损坏非PoE设备，PSE必须在为PD供电之前识别是否已连接PD。PD模式可通过有效的签名识别，并使用25kΩ电阻在PD中实现。如果PSE然后提供两个连续的电压（U1 = 2.7 V和U2 = 10.1 V）用于电阻检测，它将记录电流值，从而在激活电源之前确定PD的存在。图1描述了启动过程中的电阻检测。

图1：开始阶段的波形。（安森美半导体）

PD的最大功率要求在分类阶段中确定。PD上连接到PoE控制器的另一个电阻指示功率范围。表1列出了单个签名PD的不同类别及其最大平均性能。该类不应与类型混淆，因为它指的是所连接设备的特定电源。对于IEEE 802.3af / at（类型1和类型2的设备），使用具有单个签名的PD。IEEE 802.3bt针对每种模式或替代方式（A和B）使用单独的输入桥式整流器和PD控制器添加了两个签名PD。

分类的可选扩展是“自动分类”。PSE测量在一定时间段内连接的PD的功耗，以便PSE可以确定PD永远需要的最大功率。自动分类永远不会使用双重签名PD来实现。

表1列出了与PD上接收到的功率有关的新类别和类型以及每种类型所支持的模式。

表1：单签名PD的最大平均性能。

识别出PD并确定类别后，它必须维护电源签名。对于类型1和类型2的设备，所需的最小签名为10 mA，占空比为20%。为了使端口保持活动状态，浪费了至少2.31 mA的平均电流。这相当于在50 V电压下为115 mW，对于大型应用而言，其累加非常快。对于3型和4型设备，占空比已降至1.875%，从而使每个设备的功耗低于10 mW，待机功耗降低了90%。

单片电源（MPS;单片电源系统）在网络照明中必不可少，因为网络中存在大量设备。对于永久性活动的系统（例如，基于无线电的回程，WLAN接入点和安全摄像机），它们也是必需的，尽管要求并不那么严格。

以太网供电模式

功率输出分为三种模式：模式A，模式B（替代A或替代B）和4对。使用处于模式A的10BASE-T / 100BASE-TX，电源将与数据对1至2和3至6同时传送。模式B通过备用对4至5和替换对7至8提供电源。在1000BASE-T应用程序（四对）中，模式A和B都同时在四对对之间提供电源。共模电压取自标准以太网变压器的中心抽头。然后，DC / DC转换器为系统提供稳定的输出电压。

图2描述了类型1和类型2应用在模式A和模式B下的功率输出，图3描述了类型3和类型4在4对模式下的电缆连接。

图2：用于PoE电源输出的模式A和模式B。（福禄克网络）

图3：4对PoE电源输出。（福禄克网络）

图4：绿桥解决方案与二极管桥的比较。（安森美半导体）

图5：四MOSFET绿桥FDMQ8203。（安森美半导体）

图6：评估板NCP1095GEVB / NCP1096GEVB。（安森美半导体）

安森美半导体开发PoE设备时，必须考虑连接电缆。以太网的最大电缆长度为100 m，这是一个直流电阻，可降低电压并耗散热量。5类（Cat5）电缆是双绞线电缆，用于以太网和PoE网络中的电源。这些电缆在10/100 / 1000BASE-T上最高支持100 MHz。6类（Cat6）电缆相对于5类电缆进行了改进，并支持10GBASE-T以太网最高500 MHz。

100 m长的Cat5电缆的直流电阻为12.5Ω;Cat6电缆仅7Ω。传输损耗随差分对中电流的增加而增加。在25 W PD的典型输入电压为50 V的情况下，电流为0.5A。这会导致Cat5的传输损耗为2.5 W，Cat6的传输损耗为1.75 W，并通过热量散发。对于90 W的设备，此传输损耗分为四对，每对930 mA，PSE提供至少52V。Cat5对应于17.3 W，Cat6对应于2×6.05 W，这表明Cat5对于每种应用都是足够且安全的。

正确的连接

安装时应仔细选择电缆。需要在电缆长度和设备性能之间进行权衡，以提高效率并消除布线损坏的风险。

PD控制器通过附加的DC / DC转换器来转换和调节PD侧的输入电压。二极管桥是常见PoE设备的一种经济高效的解决方案。它们足以满足功耗较低的设备的需求，但随着性能的提高，它们成为问题。在25.5 W和至少42.5 V时，大约0.6 A的电流流过二极管电桥。每个二极管的正向电压为0.7 V，每个二极管消耗的功率为420 mW。对于90 W系统，现在的电流为3.7 A，每个二极管消耗的功率为2.59W。

MOSFET方法比传统的二极管桥改善了线损和效率。安森美半导体的第一代绿桥系列集成双p沟道和双n沟道MOSFET（FDMQ8203）提供了一种精巧的解决方案，采用紧凑且经过热改良的SMD封装。线损取决于R DS（ON）MOSFET的价值：n沟道和p沟道MOSFET分别具有110和190mΩ的电阻，对于25 W系统，功率损耗约为115 mW。这是二极管桥损耗的四分之一。在90 W的示例中，3.7 A的电流导致354 mW的线损，相当于二极管解决方案的13%。这似乎是一个相对较小的节省，但是在使用数百个PoE传感器的建筑物管理系统中，差异可能很大。

第二代Quad-MOSFET（FDMQ8025A）在与第一代相同的小型MPL封装（4.5 mm×5 mm）中提供了更高的标称功率，高效的桥式整流器和必要的栅极驱动器，并且其R DS（ON）更低。）对于n通道型号为35mΩ，对于p通道型号为76mΩ。

安森美半导体还提供PoE-PD接口控制器，通过该控制器，每个设备均可按照802.3af / at和-3bt进行操作：NCP1095和NCP1096包含PoE系统中操作所需的所有功能，例如检测，分类，自动分类以及接通阶段的电流限制。这两个控制器通过内部/外部传输晶体管支持高达90 W的功率。它们还指示何时可以插入短时维护电源签名。附加的辅助电压检测可通过PoE或电源适配器启用电源。

使用评估板NCP1095GEVB和NCP1096GEVB，可以在实施物理设计以支持开发过程之前快速评估两个控制器。这些板包括活动的Green Bridge2桥，RJ45连接和LAN变压器