乙太網(wǎng)路協(xié)定IEEE 802.3正在從傳統(tǒng)IT領(lǐng)域不斷擴展到新興應(yīng)用和市場。當下，鑒於時間敏感網(wǎng)路（TSN）等標準加強，乙太網(wǎng)路已部署在零售銷售點設(shè)備、安全監(jiān)控攝影鏡頭以及工業(yè)等行業(yè)。乙太網(wǎng)路還在自動駕駛汽車等核心應(yīng)用中成為必不可少之快速、可靠和安全網(wǎng)路，從而在汽車應(yīng)用中嶄露頭角。
多年來，乙太網(wǎng)路大多數(shù)參數(shù)改進都集中在提高資料傳輸速率上，但是，2003年批準的802.3af引入乙太網(wǎng)路供電（PoE）技術(shù)，即能夠透過乙太網(wǎng)路電纜傳輸功率。
為何需要PoE？
對於VoIP、安全攝影鏡頭和樓宇自動化等許多應(yīng)用，由於乙太網(wǎng)路成為這些新應(yīng)用之首選網(wǎng)路介面，透過單一電纜同時傳輸資料和功率既節(jié)省成本，又非常便捷，因而變得非常有吸引力。PoE能夠使交換機和無線接入點等網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施部署更加簡捷，不再需要為每個網(wǎng)路設(shè)備進行耗時且昂貴之交流電源插座安裝， PoE還可在斷電時為一些基本基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備提供緊急電源。
PoE支援設(shè)備部署正在不斷擴展到零售、製造、安全和存取控制等市場，而且這會反過來給PoE標準組織施加壓力，驅(qū)動他們尋求提高功率傳輸能力新技術(shù)。
LPoE標準演化
PoE的基本概念涉及使用供電設(shè)備（PSE）向受電設(shè)備（PD）供電。當今部署大多數(shù)網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備都具有PSE功能或在訂購時可以選擇。端跨（endspan）PD具有內(nèi)建電路，可從從乙太網(wǎng)路插槽中汲取功率來進行操作。對於未配備支援PoE交換機之現(xiàn)有和傳統(tǒng)乙太網(wǎng)路基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施，中跨（midspan）PoE注入器可為端跨供電。同樣，在受電端處，PoE分離器用於分離電源和資料訊號，並可為未配備PoE之受電設(shè)備提供穩(wěn)定直流電壓。
最初PoE標準802.3af於2003年發(fā)佈，使用Cat5乙太網(wǎng)路電纜中四對雙絞線中之兩對（圖1）。
| 圖1 : 使用兩對雙絞線之802.3af相容PoE實現(xiàn)。 |
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PoE標準允許線路損耗，並規(guī)定負載電壓範圍為37～57V。基於在37V下提供最大350mA電流，功率容量為12.95W。
隨著對更高功率需求不斷增長，新標準陸續(xù)發(fā)佈，使Class 8設(shè)備功率容量達到90W。在802.3bt標準（也稱為PoE +）下，Class 5 和Type 3以上設(shè)備使用所有四對電纜傳輸功率。PSE提供的電壓因設(shè)備類型而異，對於Type 4設(shè)備，電壓範圍為52～57V，最大額定電流為960mA。
從早期開始，PoE就已經(jīng)廣泛用於安全攝影鏡頭，其13W受電設(shè)備功能足以為大多數(shù)簡單攝影鏡頭供電。但是，在能夠?qū)嵤┻h端搖攝、俯仰和變焦IP攝影鏡頭問世之後，這些設(shè)備需要更高功率預(yù)算。802.3bt標準推出標誌著從使用兩對電纜轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂盟膶﹄娎|。而由於PoE供電能力增強，已經(jīng)迅速為更多應(yīng)用打開了大門，其中之一是樓宇自動化系統(tǒng)，它可以管理現(xiàn)代化辦公室供暖、通風、照明和存取控制等。現(xiàn)在可以透過PoE來管理LED燈串及其相關(guān)控制設(shè)備。
透過引入四對配置，802.3bt標準可提供一種在單個受電設(shè)備中具有兩個獨立電源軌機制。這種方法允許創(chuàng)建不同電壓軌，例如+3.3 VDC和+5 VDC，或+/-2V電源。圖3所示為供電兩種方法：單簽名和雙簽名。
| 圖3 : 使用單簽名或雙簽名PoE供電架構(gòu)。 |
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由於越來越多聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開始應(yīng)用PoE，尤其是消費性和商用設(shè)備，乙太網(wǎng)路聯(lián)盟認為PoE認證計畫將能夠提供一種快速簡便方法，可以輕鬆識別能夠交互操作產(chǎn)品。目前正在就兩對電纜應(yīng)用進行Class 4及以下級別認證（稱為EA1），並於2020年末開始引入最高Class 8（EA2）認證。對正式認證架構(gòu)是否相容會嚴重影響任何技術(shù)的購買決定，因此，符合PoE認證計畫可能會成為所有新產(chǎn)品行銷規(guī)範之重要層面。工程團隊將需要熟知認證要求和測試方法，並在開發(fā)週期中花足夠時間來充分準備測試。新罕布夏大學（The University of New Hampshire）是乙太網(wǎng)路聯(lián)盟授權(quán)PoE認證唯一測試機構(gòu)。
在設(shè)計中實施PoE
在終端節(jié)點設(shè)備中實現(xiàn)PoE功能需要分離出從PSE接收到的功率，實現(xiàn)乙太網(wǎng)路控制功能和功率轉(zhuǎn)換。許多製造商將這些功能整合到單個PoE IC。
Silicon Labs Si34071是一種空間節(jié)省解決方案，可將外部零元件數(shù)量降至最低。Si34071完全相符Class 8 802.3bt標準，並整合高效峰值電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠提供可配置開關(guān)頻率，所有這些功能都在一個薄型5 x 5mm QFN封裝內(nèi)實現(xiàn)。Si34071還提供有一個UART介面，用於連接到主機MCU。圖4展示Si34071功能方框圖，圖5則突出顯示Si34071AC5V8KIT PoE評估板中Si34071如何使用。
| 圖4 : Silicon Labs Si34071 PoE IC功能方框圖。 |
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| 圖5 : 採用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT評估板之受電設(shè)備PD Class 8、71W介面簡化方框圖。 |
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Si34071AC5V8KIT評估板可提供單簽名5V/14A輸出，隔離式正向拓撲DC/DC轉(zhuǎn)換器操作效率優(yōu)於91％。此設(shè)計具有自動分類開關(guān)（Class switching），暫態(tài)和過壓保護等功能。
對於開發(fā)PSE端設(shè)計，Silicon Labs Si3474 PSE IC提供四個90W 802.3bt相容PoE埠或最多八個30W 802.3at/af PoE埠。
Microchip可針對PoE應(yīng)用原型提供全面PSE和PD IC以及開發(fā)套件。 Microchip PD69208T4完全符合802.3af、at和bt標準，支援多達8個2對或4對4型PD要求埠，最大輸出功率為95W，是與PD69210控制器配合使用的PoE電源管理IC。這些PSE IC適合PoE交換機、路由器和中跨設(shè)備等應(yīng)用，它們還適用於各種工業(yè)自動化設(shè)備和LED照明控制器。
Microchip還提供完整中跨PoE注入器單元，其中一款是PD9501GCO，該單埠中跨單元專為室外應(yīng)用而設(shè)計，防護等級為IP67，向後相容802.3at和802.3af標準，是安全攝影鏡頭和無線局域網(wǎng)路接入點等外部應(yīng)用理想之選。
STMicroelectronics可提供一系列PoE-PD設(shè)備。 PM8805是符合IEEE 802.3bt單簽名標準之PoE PD介面，具有整合式雙主動橋式MOSFETS配置，因為它們正向電壓損耗較低，因而可替代二極體。
結(jié)論
乙太網(wǎng)路供電已從剛剛開始相對較低功率發(fā)展成為適於多種應(yīng)用之電源選擇方案，可理想用於包括安全攝影鏡頭和樓宇自動化系統(tǒng)在內(nèi)多種應(yīng)用。功率容量在演化到90W時將能夠極大擴展應(yīng)用範圍，並將有助於將乙太網(wǎng)路部署加速擴展到更多市場領(lǐng)域。
（本文作者Mark Patrick任職於貿(mào)澤電子）
