数据线的功能远远超乎你的想象

今天人们对于一根数据线的要求，除了能够支持更高的传输速率，还需要能够承担起电能输送的职责，在这方面我们最熟悉的一个例子就是USB，目前USB-PD协议可承载最高100W的功率传输。 这种“数据+电源”的混合传输的好处显而易见，它能够让我们摆脱烦人的电源线，用一根线缆就可以满足两个需求，给用户带来更大的自由度。不过USB传输的距离有限，通常也就是1-2米以内，如果你希望在一个更大范围的局域网中实现这种“数据+电源”的混合传输体验，就需要以太网供电（PoE）技术来帮忙了。

实际上PoE的基本思路与USB-PD是相同的，它们都是在传输数据的同时，利用空闲线路或信号线路为终端接入设备供电。只要我们稍微打开一点脑洞，就不难想象出PoE的典型应用，比如楼宇自动化中的视频监控、智能照明等，想添加一个新的节点设备，只需要预留一个RJ-45以太网口就行了，而无需专门布设市电网络，这给用户带来的价值是显而易见的。

PoE标准的升级之路

正是因为“很有用”，所以人们就开始琢磨如何让其“商用”，而大规模商用一个重要的前提就是要将这个技术标准化，于是有了IEEE 802.3这个定义了PoE各项技术规范的标准，由此也解决了不同设备间兼容性的问题。 正如其他技术标准一样，IEEE 802.3也在不断的进化中根据市场需求的变化为自己增添新的技能。 第一代PoE的标准IEEE 802. 3af是在2003年发布的，基于当时人们对PoE应用场景的认识，这一版标准给PoE的定位就是：可以让PSE设备（集成在路由器、交换机和集线器中）通过以太网电缆向IP电话等PD设备提供不超过15W的直流功率。15W这样的功率水平，以今天的视角来看，确实有些保守。

很快，随着越来越多样的设备接入到以太网中，人们逐渐感觉到“电不够用了”。于是2009年发布的第二代PoE标准IEEE 802.3at，就将提升供电功率作为了一个主要的升级目标。这个被称为PoE+的标准果然不负众望，将PoE支持的最大功率提升到了30W（通过CAT-5或更高级别线缆提供）。 市场在持续发展中，一个有生命力的标准也不会原地踏步。2018年9月，第三版（也是最新一版）的PoE标准IEEE 802.3bt正式发布。通过深度挖潜，IEEE 802.3bt尝试在以太网电缆的8根导线（4对导线）上都加载电压，充分利用了网线的功率承载能力，将PoE可以传输的最大功率提升到90W。这个功率水平，基本上可以满足如今大多数中功率电子产品的要求了，也让PoE可以覆盖的应用领域大为扩展。 而且在最新的IEEE 802.3bt中，还增加了一个名为Autoclass的新特性。顾名思义，Autoclass实际上是一种自动检测PD用电设备的实际功率消耗，并对其进行功率分级的机制，PSE供电设备可以根据PD的实际耗电要求按需提供电能，通过更精确的控制实现更高的效率。与此同时，IEEE 802.3bt还增加了两种PoE设备类型（Type 3和Type 4）以及4种功率等级的定义，这实际上都有助于PoE在增加产品覆盖的同时，实现更为智能的控制，让PoE拥有更高的功率水平的同时（所谓“更高能”），也变得“更智能”。鉴于IEEE 802.3bt这种全面的能力提升，人们也将其称为“PoE++”

表1，IEEE 802.3 PoE标准比较 (资料来源:安森美半导体)

新标准的新方案

新标准的落地，必须有与之配套的产品和方案的支撑，PoE++也不例外。伴随着PoE++自身能提升，其应用范围也还在进一步扩展（特别是在PD用电设备端），新的解决方案必须考虑得更为周全和长远。 在PoE系统中，PSE和PD设备之间供电通道的建立，是通过一个握手协议来实现的，这个协议将在检测、分级、供电、维护这样一个完整的过程中负责两者之间的通信和控制。与之对应的PoE协议管理，是通过一颗PD控制器芯片来完成的，而想要实现PoE++这个新标准，也就需要有全新的PD控制器来支持。 在符合PoE++的PD控制器研发方面，安森美半导体是动作比较快的一家。在2019年9月，他们推出了符合PoE++标准的PD控制器 NCP1095和NCP1096，这两颗料不仅支持新标准的规范要求，包括新增的Autoclass能量管理特性，还向后兼容原有标准，同时还支持将功率扩展到100 W，可以满足一些特定应用的要求。

图1，安森美半导体推出符合PoE++新标准的PD控制器（图源：安森美半导体） 除了需要通过全新的PD控制器“读懂”新协议，随着功率的提高，高能效设计的挑战也更为突出。这也就需要为PoE++的产品中引入一些新的解决方案。 比如在PoE应用中，有时候PSE设备会配备不间断电源（UPS），这时在PD端就需要用一个桥接电路来调节输入电源的极性。以往简单的二极管桥接设计是最普遍的方法，它提供了一个可靠而低成本的方案。但是随着PD所需功率的增加，正向压降引起的二极管桥的导电损耗就成了一个必须考虑的问题。对此，安森美半导体给出的新方案就是使用GreenBridge四通道MOSFET替代二极管桥，来降低桥路的功率损耗。 以符合PoE++标准的GreenBridge器件FDMQ8205为例，其中包含两个N沟道和两个P沟道 100V级 MOSFET，以及所有必要的门极驱动器，无需外部电路来驱动或保护，同时具有更低的RDS(on)。与传统的二极管桥方案相比，基于 FDMQ8205 的PoE方案的功耗可降低10倍，而整体系统尺寸仅有传统方案的1/4。

图2，基于FDMQ8205的方案与传统二极管桥方案相比，功耗大大降低（图源：安森美半导体）

图3，基于FDMQ8205的方案与传统二极管桥方案的热分析比较（90W@25℃），可见功率损耗产生的温升显著降低（图源：安森美半导体） 随着人们对最新PoE标准的认知，未来也会有越来越多的新方案出现，最终为PoE++的成熟商用铺平道路。尽管如今在物联网市场，无线通信仍然是最吸睛的存在，但是基于以太网的互联应用依然有很坚实的市场基础，PoE的发展无疑会为这些有线互联应用提供一个有力的支点。面对这样的市场机遇，你是不是也有兴趣来尝试一下呢？

原文标题：一根数据线，你还想让它实现多少功能？

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