适用于楼宇自动化系统的以太网供电方案

以太网供电（PoE）提供了一种使用单根电缆为远程设备提供电源和数据连接的便捷方式。这使其成为一种非常适合楼宇自动化系统的电力传输解决方案，并且有望解决现有网络的许多问题，这些问题通常基于专有协议和连接的混合。

许多建筑物已经提供了基于10BaseT和100BaseT以太网所需的5类电缆的大规模数据基础设施。这减少了连接各种楼宇自动化设备所需的新布线数量，例如IP视频摄像机和RFID读取器以及可以为无线电池供电的传感器节点提供扩展连接的无线接入点。

PoE利用Cat5电缆包含四对电线的事实。虽然后来，高速以太网标准在所有四对上传输数据，但只有两对用于发送10Base-T和100Base-T标准的比特。

最新版本的IEEE 802.3af PoE标准可以为远程设备提供高达25 W的功率，一些供应商超出了标准中的一些限制，将其扩展到超过50 W或提高整体效率。将对数量加倍的较低的总阻力减少了传输损耗。 IEEE已经成立了一个工作组来制定四对PoE标准，以便提高功率输出并提高效率。工作组希望该标准在2017年准备好。

图1：由IEEE 802.3af连接供电的系统的概念视图。

标准中设置了限制，以确保一束电缆内的导线电阻引起的自热不会过大。 Cat5电缆使用24 AWG导线，传统上认为在50 V时可以安全地承载高达360 mA的导线，并且具有高裕度以允许各种电缆的电阻差异。如果一半导体用于承载电源，则可以提供高达36 W的电流。 100米电缆的电压降 - 双绞线以太网的额定最大长度 - 意味着远端设备原则上从两对接收的功率不到32 W。转向Cat6布线可降低电阻，这可以更容易地支持未来四对PoE标准的更高功率传输。

电源本身可以通过也处理数据的PoE交换机提供，或者它可以通过中跨设备沿着电缆进一步提供。该中跨喷射器可用于从太阳能电池板向安装在室外的各个设备（例如IP摄像机）提供能量。

虽然有两个未使用的对可以专用于通过10Base-T或100Base-T以太网连接供电，但该标准允许使用数据传输对。模式A使用数据对;模式B通过备用线对提供电力。

通过以太网使用差分信号发送比特，将PoE支持扩展到1000Base-T设备，使数据对上的电源成为可能。基于变压器的连接可确保来自电源的高电流不会影响数据电路。

模式A使用引脚1和2来承载电源轨，引脚3和6用于返回。模式A另外支持两种配置，以允许交换连接的极性。这允许使用交叉电缆或跳线电缆以及使用电缆类型自动检测的系统供电。在模式B中，引脚4和5为直流电轨提供7和8用于返回。

供电设备（PSE）确定应采用哪两种方案向受电设备（PD）提供能量。但是，兼容的PD必须同时支持模式A和B.它表示它可以通过在数据对之间放置一个25kΩ的电阻在任一模式下接收功率。

当PD连接到PoE系统时，它会按顺序转换到几种操作模式，包括检测，分类，开启和正常DC操作。每种工作模式都使用特定的电压范围，所有电压范围均由PSE提供。在检测期间，PSE探测签名电阻。如果PSE发现这些对之间的电阻太高，它将拒绝为设备供电。分类是PSE用于确定每个连接的PD的功率要求的可选模式，因此分配最合适的当前级别。这再次使用电阻器。它的值决定了使用四个当前类中的哪一个，放在引脚4和7之间。

图2：PoE的设置和操作阶段及其相关电压。

由于PoE下可用的选项范围以及PD需要遵循协议以便能够绘制他们需要的功率，专用DC/DC转换器或现有功率转换器的前端设备是必需的。前端设备通常扩展PoE的功能以支持其他电源选项。一个例子是德州仪器（Texas Instruments）生产的LM5073。 LM5073为PD提供了灵活性，可以接受来自未调节辅助电源（如AC适配器和太阳能电池）的电源。提供专为热插拔支持而设计的100 V MOSFET和可编程直流限流器，可以处理符合IEEE 802.3af标准的设备两倍的功率水平。此外，100 V最大额定电压简化了瞬态电压抑制器的选择，可以保护PD免受网络瞬变的影响。

为了支持集成，LM5073集成了PD特征电阻，并能够使用电流源对分类电阻进行编程。支持浪涌电流限制，可编程欠压锁定（UVLO）和热关断进一步简化了PD实现。

要使用LM5073等器件，系统的DC/DC转换器需要软启动功能，以便它可以控制启动期间的输入电流。软启动过程可减少浪涌电流的浪涌，并消除启动期间输出电压过冲的任何趋势。转换器需要足够慢地启动，以使输入电流不超过PD接口的热插拔MOSFET直流电流限制或PSE的电流限制。否则PD将无法正常启动。

LM5073接受两种不同的辅助电源配置。前辅助（FAUX）模式允许辅助源通过OR二极管配置与以太网电源并联使用。第二种配置是后辅助（RAUX）选项，其中辅助电源完全绕过PoE接口，并通过二极管直接连接到DC/DC转换器的输入。如果辅助电源电压类似于PoE输入电压，则需要FAUX选项。但是，当辅助电源电压远低于PoE输入电压时，RAUX选项更合适，因为来自辅助电源的电流不受热插拔MOSFET电流限制的限制。

图3：TI LM5073设计用作DC/DC转换器的PoE前端。

另一种选择是凌力尔特公司的LTC4267 。它是一个PoE PD接口，带有自己的集成开关稳压器，可为3.3 V时需要高达1.5 A电流的系统提供完整的电源解决方案.LTC4267集成了所需的25kΩ特征电阻，用于分类阶段的电流源，热量过载保护和欠压锁定，采用100 V，400 mA的MOSFET，通过相对便宜的电压抑制器为后端电子设备提供高度保护。

LTC4267上的电流模式开关稳压器设计用于驱动额定电压为6 V的N沟道MOSFET，并具有可编程斜率补偿，软启动和恒定频率操作。该器件包括板载误差放大器和电压基准，允许在隔离和非隔离配置中使用。

前端功能也可用于LTC4265等设备，LTC4265旨在提供PD功能对于现有的开关稳压器。在这种情况下，100 V，100 mA MOSFET用于在检测和分类阶段将以太网供电与DC/DC转换器隔离。

支持升级过于昂贵的情况现有的以太网交换机具有PSE功能，或者在需要部署少数PoE设备的区域使用，可提供单端口注入器。一个例子是Phihong POE36U-1AT，它提供与1000Base-T连接的兼容性。该电源由工作电压为90 V至264 V的主电源供电，可为PD提供高达33.6 W的功率。

由于前端设备和中跨喷射器的可用性，为建筑增加了PoE功能自动化设备现在相对容易实现。通过构建对以太网连接的支持，系统设计人员可以利用对协议的广泛支持，并确保无需专用电源线和输入即可实现能量传输，尽管这些可用于提供额外的灵活性。