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每個工程師都應了解的有關(guān)IEEE 802.3bt PoE的知識

發(fā)布時間:2020-09-01 來源:安森美半導體產(chǎn)品行銷經(jīng)理 Riley Beck 責任編輯:wenwei

【導讀】以太網(wǎng)供電(PoE)是IEEE 802.3af和802.3at標準定義的一種聯(lián)網(wǎng)功能。PoE使以太網(wǎng)電纜可以通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)連接同時向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)。IEEE 802.3bt標準已于2018年9月27日獲得IEEE-SA標準委員會的批準,可通過以太網(wǎng)鏈路傳輸更多電力。在這里,我們討論為何這很重要,以及工程師如何利用這一潛力。
 
無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)隨時可用,為何我們?nèi)栽谑褂糜芯€連接?好吧,無線聯(lián)接很方便;但建筑物和家庭中已有數(shù)百萬英里的有線CAT5e電纜,因此有線連接仍在使用中,而且有線比無線(企業(yè)網(wǎng)絡(luò)如大學通常都是有線的)更難被黑客入侵或攔截,且長的有線電纜成本很低。如果您有一幢由磚、石頭和金屬構(gòu)成的建筑物,那么在許多情況下都能獲得良好的無線信號(5G具有更好的室內(nèi)覆蓋范圍,但完全部署還需時日)。如果要接入以太網(wǎng)電纜信號,則必須切入。此外,無線更容易受到其他信號和無線電波的破壞,而有線電纜通常被屏蔽并提供“即插即用”體驗,并且具有更好的服務質(zhì)量(QoS)。
 
802.3bt系統(tǒng)架構(gòu)
 
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用電源設(shè)備(PSE),一種可通過以太網(wǎng)電纜為受電設(shè)備(PD)供電的電源控制器。 IEEE 802.3bt標準指出:“PD是消耗功率或請求功率的設(shè)備部分,參與PD檢測算法。能夠成為PD的設(shè)備可能具有從備用電源汲取功率的能力。需要從電源接口(PI)供電的PD可能同時從備用電源供電。”典型的PD是一種設(shè)備,如IP電話、無線接入點、安防攝像機等,從以太網(wǎng)電纜接收電力。電源接口(PI)是PSE或PD與傳輸介質(zhì)之間的機械和電氣接口。這是在IEEE802.3bt標準的“PD PI當前定義”第1.4.324節(jié)中定義的。
 
以前的PoE標準僅使用以太網(wǎng)電纜中八根導線中的四根來傳輸直流電流,IEEE工作組選擇對802.3bt使用所有八根導線。IEEE Std 802.3bt-2018修正案2指出:“此修正案使用結(jié)構(gòu)化布線工廠中的所有四對電線,增加了功率傳輸,從而為終端設(shè)備提供了更大的功率。該修正案還降低了終端設(shè)備的待機功耗,并增加了一種機制來更好地管理可用功率預算。”
 
IEEE標準委員會的目標是增加從電源設(shè)備(PSE)到受電設(shè)備(PD)的電量。提供給PD的這些額定功率水平高達71.3 W(90W來自PSE),同時大大降低了PD睡眠時所需的待機功耗。
 
自動分類特性
 
IEEE 802.3bt標準的第145.8.8.2節(jié)對稱為“自動分類”的物理層分類進行了可選擴展。啟用此功能后,PSE會確定所連接的PD設(shè)備消耗的實際最大功率。自動分類(Autoclass)僅針對單特征(single signature)PD定義(有關(guān)單特征定義,請參閱下一節(jié))。
 
當PSE實施Autoclass時,在POWER_ON且同時pd_autoclass為TRUE時測量PAutoclass。請參閱本文標題為“一個802.2bt最壞情況的示例”的部分,顯示發(fā)送給PD的功率未達到所需滿功率的情況。如果啟用自動分類功能,則可以糾正這種情況。有關(guān)更多詳細信息,請參見Embedded Computing Design刊登的文章“通過自動分類優(yōu)化PoE輸出功率”。
 
單特征 / 雙特征
 
IEEE 802.3bt提供兩種新的PD拓撲,分別稱為單特征和雙特征。單特征PD在兩個線對之間具有相同的分類、維持功率特征(MPS)和檢測特征。雙特征PD在兩個線對之間具有獨立不同的特征。802.3bt標準通過新添加的連接檢查(Connection Check)使區(qū)分功能能來識別單特征或雙特征PD連接之間的差異。
 
雙特征PD將需要兩個并行的PD接口,因為在此拓撲中需要兩個不同的線對集。每個PSE的電力在每個PD接口之后匯集。這是個成本更高的方案。設(shè)計人員可能會選擇成本低一半的單特征方案??紤]具有雙重特征的監(jiān)視攝像機,其中一個線對與攝像機相連,另一個線對與加熱器或云臺 / 變焦電機相連。
 
對于來自PSE的每個數(shù)據(jù)對,PD端通常也需要一個變壓器(對于GB以太網(wǎng),請參見圖1,其中Vpd,B可能是10 / 100Base-T),一個有源橋式整流器,一個802.3bt PD接口控制器和一個DC - DC轉(zhuǎn)換器。肖特基二極管、電阻器和電容器也可理解為PD附加組件的可能部分。
 
每個工程師都應了解的有關(guān)IEEE 802.3bt PoE的知識
圖1 802.3bt PD端應用電路圖,安森美半導體的FDMQ8205A橋式整流器和NCP1096 PoE-PD接口控制器(圖片由安森美半導體提供)
 
圖2顯示,Type 4,Class 8可能消耗的最大功率為71.3W。PSE最低電壓為52 V,最差的支持通道電阻為6.25 ohm,1.73 A的電流將流經(jīng)電纜。
 
每個工程師都應了解的有關(guān)IEEE 802.3bt PoE的知識
圖2 最壞情況下的通道為6.25歐姆,負載的恒定功率為71.3W(Class 8)。每條導線1.73A或0.433是可在兼容系統(tǒng)中流動的最高額定電流(圖片由參考文獻2提供)
 
PD端的潛在問題以及設(shè)計人員可能的方案 / 緩解措施
 
IEEE 802.3bt標準指出“PD在與電纜的物理連接點指定。未指定特性如電壓校正電路、電源效率低下造成的損耗,內(nèi)部電路與外部接地之間的分離或PI連接器之后電路引起的其他特性等。除非特別說明,否則PD定義的限制指定在PI上,而不是在PD內(nèi)部的任何點上。
 
以下是設(shè)計人員應該考慮的一些領(lǐng)域,以建立一個真正強固的設(shè)計架構(gòu):
 
1)注意由于PSE和PD之間的通道中的其他設(shè)備(二極管,變壓器等)引起的電流不平衡(請參見圖3)。只要設(shè)計人員意識到這種不平衡,就可以采用創(chuàng)造性的方法來減輕這種不平衡。這將取決于設(shè)計架構(gòu)。一些可靠的規(guī)則是使用良好的接地平面以及承載大電流的寬接地回路。
 
2)以太網(wǎng)電纜中的線對線間電流不平衡:這里的問題是電纜供應商很少測試或給設(shè)計人員提供線對線不平衡規(guī)范,他們通常只指定線對內(nèi)的不平衡。
 
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圖3 PD電流不平衡驗證電路(圖片由參考文獻1提供)
 
3)當心電纜發(fā)熱:通常會有大量電纜發(fā)熱,但設(shè)計人員需要保持溫升控制。IEEE工作組設(shè)定限值應小于10攝氏度的溫升。他們采用300 mA電流流過所有電纜導線,就像在不失衡的情況下,為每100 m電纜的末端傳送51 W功率。設(shè)計人員可以嘗試一些方案,例如使用較低電阻的電纜來減少I2R損耗,在每個線束中使用較少的電纜或僅在電纜束中進行部分供電。
 
確定任何給定電纜的功耗(發(fā)熱)的正確方法是使用恒定功率吸收器作為負載,并使用電壓源作為輸入電源2。
 
一些電纜發(fā)熱研究會測試2.0 A時的電纜束。因此,如果使用24AWG電纜,則電纜功率密度將為164 mW / m。功率密度是每單位長度電纜消耗的功率,因此:
 
164 mW / m =((2.0A)2x 4.09 ohms)/100m)
 
Rch基于24 AWG固態(tài)銅在20oC的電阻率
 
每個工程師都應了解的有關(guān)IEEE 802.3bt PoE的知識
圖4 通道是24 AWG UTP,負載是恒定的2.0A(圖片由參考文獻2提供)
 
4)輸送到PD的功率(PD是恒定功率負載)與PSE功率輸出之間存在非線性關(guān)系。PD的功率需求各不相同。PD需要更多的電流意味著電纜中的壓降更高,并有IR損耗。PD獲得的電壓低于所需電壓,因此需要更多電流。事實證明,在較低電流下使用較高的PD電壓可穩(wěn)定此效果。為安全起見,請將PSE電壓限制為不超過57 V。
 
測試PD
 
如果制造商有演示板或參考設(shè)計,請始終將其用于您的應用。這些板是使用適當?shù)牟季€和接地技術(shù)精心創(chuàng)建的,以提供最佳的架構(gòu)性能。通常可以從制造商處獲得工藝的Gerber文件。請在設(shè)計中使用它們。這些方法將免去對最終設(shè)計進行大量測試。
 
對于設(shè)計的生產(chǎn)測試以及在實際系統(tǒng)中的測試,有一些很好的方案,如Reach Technology的PoE5 100 W PoE測試儀或Reach Technology的RT-PoE5 IEEE 802.3bt以太網(wǎng)供電PSE生產(chǎn)測試儀。新罕布什爾大學互操作性實驗室是唯一用于測試PoE認證的第三方測試機構(gòu)。Sifos Technologies擁有用于IEEE 802.3bt PoE的新的緊湊的PowerSync分析儀,將有助于進行4線對測試。以上方案將有助于確保強固的系統(tǒng)。
 
總結(jié)
 
本文旨在介紹POE和IEEE802.3bt。希望讀者能了解PD和PSE的定義,以及它們在提供適當信號和功率傳輸方面的優(yōu)勢和局限性,并更好地理解該標準及其在PoE系統(tǒng)中的改進能力。
 
本文的重點正如本文所強調(diào)的,IEEE 802.3bt標準支持設(shè)計人員向PD提供更高的功率以及更多通用的能源選擇。
 
本文還提供了為什么在無線世界中進行有線連接可以增強安全性、提高可預測性和可靠性的原因。廣泛的現(xiàn)有有線基礎(chǔ)設(shè)施已部署到位,其環(huán)境干擾遠低于無線環(huán)境,系統(tǒng)成本更低且QoS更高。
 
本文還向讀者介紹了設(shè)計802.3bt PD時要考慮的一些重要點,以避免潛在的缺陷,從而使最終設(shè)計的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
 
最后,為了更好地設(shè)計802.3bt PD,向設(shè)計人員演示了適當?shù)臏y試方法,并提供了鏈接和參考文獻。
 
參考文獻
 
1 IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt™-2018 (Amendment to IEEE Std 802.3™-2018 as amended by IEEE Std 802.3cb™-2018)
 
2 Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017
 
 
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