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      利用以太網供電(PoE2)恢復正常工作

      作者:Christopher Gobok,ADI 產品營銷總監時間:2022-05-07來源:電子產品世界收藏


      本文引用地址:http://www.51kbu.com/article/202205/433849.htm

      簡介

      IEEE新推出的以太網供電(PoE)標準,也被稱為PoE 2或802.3bt(以前稱為PoE++),從推出至今剛滿3年,但其應用勢頭比過去更為強勁。雖然因為受到2019年新冠肺炎疫情(COVID-19)的影響,遠程工作的數量增加,但每年部署的以太網供電端口數量也在持續增加。雇主利用空下來的桌椅,升級IT基礎設施,打造面向未來的工作場所,希望最終能夠座無虛席。要創建智能辦公室,就需要在辦公室內配備多臺連接至互聯網的物聯網設備,包括會議室標牌、電話會議設備和各種傳感器。智能辦公室具有諸多優勢,包括節能、簡化業務運營,或許更重要的是,提高員工在工作場所的安全性。新冠肺炎疫情只是加快凸顯了我們對可管控的樓宇暖通空調(HVAC)系統和大量非接觸式公共物品的需求,促使設施和IT經理開始協作部署支持PoE的系統。根據650 Group市場研究公司的數據,到2025年,全球交換機/PoE端口的出貨量預計將超過1.5億。

      PoE 2在2018年獲得批準時,可以為通電設備(PD)提供高達71.3 W功率,將近之前標準(25.5 W)的3倍。PoE 2可以通過相同的千兆以太網電纜傳輸電源,為過去、如今和未來的許多需要大量功率和數據的應用奠定基礎,包括用于在人員進入工作場所之前,在入門位置對人員實施新冠肺炎篩查的遠端溫度監測系統和紅外攝像頭。

      圖1顯示基本的PoE框圖,其中一臺PD連接至供電設備(PSE)。對于過去的幾代PoE,一個電源通道就足以為每個PoE端口供電。經過快速發展,現在,到了802.3bt,每個端口需要配備兩個電源通道,以實現中等和高電平,此外,可能還需要考慮提高每個通道的功率密度。在全球以太網市場中,支持PoE的端口的數量在不斷增加。受上述所有因素影響,IT部門需要部署大量高功率密度、高端口數量的系統,所有這些系統都要求達到99.999%(5個9)的正常運行時間和可靠性。我們需要一種真正可擴展的PoE子系統來簡化高端口數量、支持PoE的交換機的部署,這種需求由來已久。

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      圖1 以太網供電框圖

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      圖2 LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 24端口PSE芯片組的簡化原理圖

      ADI公司作為PoE領域的帶頭人、IEEE 802.3bt Task Force的成員,以及以太網聯盟的活躍成員,長期以來一直在提供出色的PSE和PD控制器,為如今部署的數以百萬計的端口貢獻了自己的力量。剛剛發布的ADI LTC9101、LTC9102和LTC9103高端口數量的PSE芯片組和ADI的PoE 2 PD控制器讓開發人員能夠提供完整的端到端PoE 2系統。我們來深入研究一下為何這款新平臺在如今的市場中地位特殊。

      基于平臺的PSE設計方法

      現代的交換芯片是非常復雜的系統,常常會面對非常嚴苛的環境條件,包括浪涌和電纜放電,且必須提供出色的系統可靠性和正常運行時間。過去的PSE架構方法是在組件層級審查PSE子系統設計,重點關注增量組件改進,而這些改進并不一定會優化整體系統性能。若從更高層級審查PSE子系統,將迫使ADI公司的設計團隊開始重新思考PSE范例,并提供系統級解決方案。LTC9101/LTC9102/LTC9103和未來的衍生產品將采用這種系統級方法,將數字和模擬組件組合起來,以解決系統集成商面臨的PSE挑戰,包括表1中列出的挑戰。

      表1 PSE系統級挑戰和解決方案

      系統集成商面臨的挑戰

      ADI解決方案

      浪涌和電纜放電

      耐用的端口引腳

      系統級隔離要求

      集成式隔離通信通道

      LED照明支持

      專用的、每個端口的檢測/分級資源

      802.3bt復雜性和標準變更

      帶閃存的自定義數字控制器

      混合端口設計

      軟件可配置架構

      寄存器接口的多樣性

      平臺的靈活性(即將實現)

      熱效率

      行業中極低的功率路徑電阻

      功率輸出效率

      符合802.3bt標準的汽車類別

      LTC9101/LTC9102/LTC9103屬于自隔離PSE控制器芯片組的一部分,基于襯底,專為PoE 2系統設計。圖2顯示簡化的原理圖,以及如何為多達48個以太網端口中的一個端口供電。芯片組具有新特性,它們支持集成式隔離。所以,在芯片組架構中,LTC9101為PSE主機提供隔離數字接口,而多個LTC9102和/或LTC9103提供高壓模擬以太網接口。802.3以太網規范要求將網段(包括PoE電路)與底盤地和PHY進行電氣隔離。通過將LTC9101置于非隔離側,將LTC9102或LTC9103置于隔離側,可將多達6個昂貴的光耦合器和1個隔離電源替換為更便宜、更可靠的10/100以太網變壓器。這種拓撲結構不僅可以節省成本,還可以實現更穩定可靠和易于制造的PSE設計。

      這種可擴展的解決方案支持靈活實施大型PSE系統,端口數量從4個到48個,具體由每個端口需要多少功率來決定。每個設計至少需要一個LTC9101數字控制器和一個或多個LTC9102/LTC9103模擬控制器。

      ■   LTC9102提供12個電源通道,每個通道為以太網電纜中的4個電纜對中的2對供電,為12個30 W端口(每個端口使用一個電源通道)到6個90 W端口(每個端口使用兩個電源通道)供電。

      ■   同樣,LTC9103提供8個電源通道,可用于為8個30 W端口到4個90 W端口供電。

      ■  單個LTC9101可以管理多達4個LTC9102和/或LTC9103,它們可以混合和匹配使用。例如,可以使用1個LTC9101、1個LTC9102和2個LTC9103來構建24端口PSE,包含4個90 W端口和20個30 W端口,如圖3所示。

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      圖3 LTC9102/LTC9103混合/匹配實現示例:24端口PSE,包含4個90 W端口和20個30 W端口

      IT和設施經理都很喜歡LTC9101的第六代數字功能,包括用于存儲固件更新的內部eFlash和自定義用戶配置包、向后兼容LTC4291 4端口PoE 2 PSE驅動器,以及I2C串行接口。LTC9101的現場可升級固件映像存儲在專用的閃存分區中,在該位置預先配置了符合IEEE 802.3at/bt標準的固件映像。在單獨的ECC和CRC保護措施下,維護固件映像的兩個完整副本,以最大限度保護數據。在成功啟動芯片組之后,用戶可以配置并通過LTC9101的I2C接口與芯片組通信,每個端口可以單獨配置為四種PSE操作模式(自動、半自動、手動或關斷)中的一種,且可以使用端口電流、PoE電源電壓和端口電源等的遙測讀數來管理系統電源。

      LTC9101是芯片組的核心,LTC9102/LTC9103則是枝干,通過多種方式保證高壓電源路徑的高效率和耐用性。每個LTC9102/LTC9103電源通道都采用專用的檢測和分級硬件。這使得所有端口都能夠同時檢測、分級和上電,從而大幅降低交換芯片中的上電延遲。其他不太先進的PSE容易受到PD等明顯的延遲影響;例如,LED以串行端口為基礎供電。LTC9102/LTC9103使用外部MOSFET控制每個電源通道,所以用戶可以選擇低RDS(ON)器件,以降低功耗并解除通道故障。使用0.1 Ω檢測電阻有助于進一步降低功耗。

      在發生過電流故障或端口短路時,LTC9102/LTC9103在~1 μs內快速斷開電源,以保護PSE、MOSFET和后端電路。此外,所有面向端口的引腳可以承受高達+80 V或低至–20 V的電壓瞬變事件,不會造成損壞。芯片組能夠根據IEC 61000-4-5浪涌抗擾度規范,盡可能采用較少的外部器件,在超過±6.5 kV的浪涌下運行,這一特性非常不錯(DC3160演示板顯示了此特性)。在發生故障之后,LTC9102/LTC9103能夠以限流的方式快速安全地重新開啟MOSFET,盡量減少對PD的中斷,這是盡量延長網絡正常運行時間的關鍵。

      PoE 2拓撲、檢測方案和功率分級

      PoE 2引入了兩種不同的PD特征配置:單特征和雙特征PD。單特征PD(圖4)是在兩個線對(pairset)之間共用相同的檢測特征和分級特征的PoE2 PD PD。雙特征PD是在每個線對上都具有獨立特征的PoE 2 PD,允許每個線對具有完全獨立的分級和功率分配。雙特征PD解決方案非常復雜,其成本是單特征PD的兩倍。值得注意的是,盡管共用一個相同的架構,802.3bt雙特征PD并不等同于先前標準的UPoE設備。LTC9101/LTC9102/LTC9103支持可靠的PoE 2 PD檢測過程,包含新的連接檢查子過程,以確定PSE連接哪種PD特征配置。

      除了進行連接檢查外,器件還需驗證連接的PD是否是符合IEEE標準的PD。雖然IEEE要求PSE使用2點電壓或2點電流檢測方案之一來檢測有效PD特征(25 kΩ),但LTC9101/LTC9102/LTC9103通過同時采用兩種類型的檢測方案以實現更穩定可靠的方案。這種多點(多電壓和多電流)檢測機制可用來消除誤報,并可避免損壞未針對PoE直流電壓承受力而設計的網絡設備。

      PoE 2為兩對導體(4線)供電,以提供高達25.5 W的功率,為四對導體(8線)供電,以提供高達71.3 W的功率。這不僅能實現更高功率水平,而且由于在所有導體通電后,電纜中的功率損耗減少了一半,因此使用更多導體可以提高舊有的低功率水平系統的效率。例如,為確保PoE 1 PD可接收到25.5 W,需要采用PoE 1 (PoE+) PSE提供30 W功率,因為在100 m的CAT5e電纜上的損耗為4.5 W。四對導體通過PoE 2為相同的25.5 W PD供電,通??蓪p耗降低至2.25 W以下,從而使總功率傳輸效率從85%提高至92.5%??紤]到全球PoE PD的數量,這意味著大幅降低功耗,在許多用例中,碳排放量可降低7.5%。

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      圖4 單特征與雙特征PD的拓撲結構

      PoE 2引入四種新的大功率PD分級,從而使單特征分級總數達到9個(如表2所示)。分級5至8是PoE 2的新增分級,相當于40 W至71.3 W的PD功率水平。PSE仍然可選擇使用物理層(即用于71.3 W的5事件分級)或數據鏈路層(即鏈路層發現協議,LLDP)進行PD的分級,而且PD依然必須能夠支持兩種分級方案以與標準相符。請記住,因為每個線對在雙特征PD中獨立運行,所以每個線對都可以是不同的分級。例如,第一個線對上的Class 1 (3.84 W)和第二個線對上的Class 2 (6.49 W)將形成一個雙特征Class 1和Class 2 (10.3 W) PD。

      表2 PoE 2 PD分級和功率水平

      單特征PD

      雙特征PD

      分級

      可用的PD功率

      分級

      可用的線對PD功率

      0

      13 W



      1

      3.84 W

      1

      3.84 W

      2

      6.49 W

      2

      6.49 W

      3

      13 W

      3

      13 W

      4

      25.5 W

      4

      25.5 W

      5

      40 W

      5

      35.5 W

      6

      51 W



      7

      62 W



      8

      71 W



      PoE 2 PD還可以實現物理層分級的一種可選擴展(稱為Autoclass),其中PoE 2 PSE(如LTC9101/LTC9102/LTC9103)芯片組測量連接PD的實際最大吸取功率。這樣,利用這種電源管理功能,可以將剩余的功率分配給其他燈泡(如果測量某個燈泡,由于較低的亮度設置或電纜較短,其功耗低于其分級功率)。

      不言而喻,PoE 2可向后兼容舊的 25.5 W 和13 W PoE 1標準。較低功率的PoE 1 PD可以連接至較高功率的PoE 2 PSE,這不會有任何問題。而且,當情況反過來時,即較高功率的PoE 2 PD連接至較低功率的PoE 1 PSE時,PD可在經協商的較低功率狀態下工作,這被稱為降級。如果PD忽略降級并工作在其最高功率狀態,則高耗電的PD將導致PSE反復地接通,達到其電流限值,然后關斷,這實際上使PSE產生低頻寄生振蕩。因此,PoE 1和PoE 2 PD都需要降級,但遺憾的是在許多實施方案中降級被忽視了。

      非常高效的PD

      ADI提供大量獨特的IC,包括Maxim Integrated(現已成為ADI的一部分)設計的那些IC,以盡可能提高PoE 2 PD的性能。圖3顯示了帶有輔助輸入的高效單特征PoE 2 PD接口的簡化框圖。該解決方案擁有高于94%的端到端(RJ-45輸入至PD負載)效率,并可在-40℃至125℃的溫度范圍內工作。

      圖5中RJ-45接口上的LT4321是一款有源二極管橋控制器,可用來取代所需的二極管橋式整流器。LT4321采用低損耗N溝道MOSFET橋,可同時提高PD的可用功率并減少散熱量。PoE 2要求PD在其以太網輸入端上能夠接受任何極性的直流電源電壓,因此LT4321可將來自兩組數據線對的電源進行平滑的整流,并將其整合為極性正確的單個電源輸出。由于電源效率提高實際上免除了散熱要求,所以總體電路尺寸和成本得以降低,并且功率可降低10倍或更多,從而使PD能夠保持在分級功率預算之內,或者使PD能夠增加功能。

      圖5所示的理想二極管橋控制器是PD接口的“大腦中樞”,LT4295是一款PoE 2 PD接口控制器,集成了一個高效的正激式或無光耦合反激式控制器。LT4295利用一個集成型25 kΩ特征電阻、高達5事件分級和單特征拓撲支持所有9種IEEE PD分級。除了提供更多的PD功率之外,使LT4295優于傳統PD控制器的因素是其采用一個外部功率MOSFET以進一步地大幅降低總體PD散熱量并充分提高電源效率,由于PoE 2的功率水平更高,因此這一點變得更為重要。

      對于那些需要能夠支持輔助電源的PoE 2 PD設計,PD可以選擇由電源適配器供電,圖3頂部所示的LT4320是一款9 V至72 V有源二極管電橋控制器,它采用低損耗N‐溝道MOSFET取代了全波橋式整流器中的全部4個二極管,以顯著降低功耗并增加可用電壓。由于電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器,因此可縮減電源和墻上變壓器的尺寸。通過幾乎消除熱運行二極管橋中固有的兩個完整二極管壓降(~1.2V,即12V的10%)提供了額外的裕量,從而增加了應用的儲備空間,低電壓應用亦能從中獲益。

      結論

      在如今不斷發展的全球以太網市場中,PoE 2仍然相當重要,即使在遠程工作持續凸顯優勢的情況下也是如此。大中小型企業都對大樓進行改造,安裝支持PoE的掃描儀、攝像頭和其他系統來保護員工安全,所以比以往更加需要高端口數PSE。ADI公司的LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 PSE芯片組能夠滿足這種需求,它們讓交換芯片供應商能夠高效、可靠地為高達48個以太網端口供電,且為設施和IT經理提供先進電源管理功能。同時,PD開發人員可以在電纜的另一端繼續使用ADI公司的多款IC來提高集成度,減少散熱量,并提高電源效率。

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      圖5 帶有輔助輸入的高效IEEE 802.3bt單特征PD接口的簡化框圖

      作者簡介

      Christopher Gobok是ADI公司電源系統管理產品的產品營銷總監。Chris畢業于圣何塞州立大學,獲得BSEE、MSEE和MBA學位。他之前的行業經驗包括擔任光電子和功率MOSFET的PME。聯系方式:christopher.gobok@analog.com。



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