立即實現IEEE 802.3bt 71W PoE標準

作者 : Linear Technology

就像很多業界標準一樣，IEEE PoE標準的最終確定常遠遠落後市場所需。IEEE PoE特別小組的最新時間表顯示，直到2018年初71W 802.3bt標準都不會準備就緒。從技術角度而言，這意味著很容易錯過商機或市場機會。那麼，在這種情況下，PSE和PD開發人員應該怎麼辦？

乙太網路供電(PoE)技術日益流行和成熟，因此供電設備(PSE)和受電設備(Powered Device，PD)開發人員熱切希望能跟上下一波IEEE潮流，而開始透過乙太網路電纜提供更大功率也就不足為奇了。不過，就像很多業界標準一樣，IEEE PoE標準的最終確定常遠遠落後市場所需。IEEE PoE特別小組的最新時間表顯示，直到2018年初71W 802.3bt標準都不會準備就緒。從技術角度而言，這樣的等待時間太長了，這意味著很容易錯過商機或市場機會。那麼，在這種情況下，PSE和PD開發人員應該怎麼辦？當然，方法就是現在開始設計和製造設備。希望讓產品率先進入802.3bt市場的開發人員，不妨透過凌力爾特(Linear Technology)的LT4295 IEEE 802.3bt PD控制器，該控制器符合標準草案2.0版要求。

功率越大，潛力越大

不出所料，IEEE PoE特別小組和開發人員的關注點一直落在最終為PD提供多大功率的方向上。2003年，IEEE PoE特別小組在最初的IEEE 802.3af PoE標準中規定，向PD輸入端的RJ-45插座提供約13W功率。此後，市場便不斷要求更大功率。因此在2009年，IEEE PoE特別小組修訂了標準，其發表了IEEE 802.3at(也稱為PoE+)，將最大PD功率級提高到25.5W。直至今日，目前正在制訂中的修訂版IEEE 802.3bt草案標準2.0(也稱為PoE++或4PPoE)，將為PD提供高達71W功率。

有了更大的功率，開發人員就可以非常容易地增加更多功能並升級既有產品。以監控攝影機為例，這種應用一直隨著PoE標準的修訂而不斷演變。在僅有13W功率可用時，最初的PoE供電監控影像鏡頭只是簡單的靜止系統。然而，當802.3at分配25.5W功率以後，就有了更大功率來驅動多種嵌入式電動機，從而使其可提供上下、左右移動和變焦功能。現在，由於可以利用802.3bt的71W功率，所以具備上下、左右移動和變焦功能的攝影鏡頭還可以整合風扇和加熱元件，以支援在極端溫度下的操作。在有些情況下，更高的PoE功率級有可能協助打開全新的市場。例如，傳統LED照明設備製造商可能只生產安裝在天花板上、用牆上開關控制的照明燈，但是現在，它們可以生產支援PoE的產品，這將有助於為智慧家居或智慧建築創造機會。無論更大的功率是否促進了最終產品的演變或徹底改變，很顯然的，PoE標準的每一次修訂都帶來了更大的市場潛力。

對PSE-PD鏈路的改變

正如你也許已經猜到：4PPoE代表「4線對PoE」，因為802.3bt規範利用乙太網路電纜中的所有4根雙絞線以實現長達100m的功率傳輸；在較舊的PoE標準中，4線對功率輸送是不相容的。圖1顯示IEEE 802.3bt PSE-PD鏈路的典型方框圖。電纜佈線要求仍然懸而未決，但是電纜佈線委員會和製造商正在猜測：802.3bt將要求至少採用Category 5E電纜，旨在支援增加的功率水準並以10GBASE-T(10Gbit/s乙太網資料速率)運作。在任何場合中，由於現今逐步達到乙太網路電纜的電流處理極限，因此可能要留意先前被忽視的電纜佈線系統性能特徵。

圖1 IEEE 802.3bt PSE-PD鏈路的典型方框圖。

802.3bt導入兩種新型PD拓撲：單一特徵(signal-signature)和雙特徵(dual-signature)。單一特徵PD是在兩個線對(pairset)之間共用相同的檢測特徵、分級特徵和維持功率特徵(maintain power signature，MPS)的802.3bt PD，而雙特徵PD則是在兩個線對之間具有獨立特徵的802.3bt PD。毫無疑問的，新型802.3bt設計將趨向於採用較為簡單和更具成本效益的單一特徵拓撲，該拓撲僅需要單個PD介面。雙特徵PD需要兩個並行PD介面(每個線對各用一個)，來自兩個PSE的功率在每個PD介面之後相加。例如，雙特徵拓撲實質上採用兩個25.5W PD以構成單個51W PD，這是一種成本有可能高達單一特徵51W PD兩倍的複雜解決方案。

802.3bt檢測過程已被擴展到不僅能夠辨別所連接的PD是符合802.3標準的PD，而且還可確定連接的是單一特徵PD還是雙特徵PD。正因為如此，檢測功能如今利用「連接檢
查」(Connection Check)進行擴充，以確定單一特徵或雙特徵PD配置。

802.3bt規範導入了四種新的高功率PD分級(Class)，從而使單一特徵類別的總數達到9個，如表1所示。Class 58對於PoE標準而言是新的，並轉化為40.071.0W的PD功率水準。PSE仍然可選擇使用實體層(即用於71W的5事件分級)或資料連結層(即鏈路層發現協議，LLDP)進行PD的分級，而且PD依然必需能夠支援兩種分級方案以與標準相符。另外，802.3bt還可以實現實體層分級的一種任選擴展(稱為「Autoclass」)，在此擴展中一個802.3bt PSE測量一個連接PD的實際最大吸取功率。舉個例子，這種便利的功率管理功能允許PSE將剩餘的功率分配給附加的燈泡(如果已知某顆特定燈泡所汲取的功率低於其分級功率)。

表1 IEEE 802.3bt PD分級和功率水準。

對於那些需要PD在深度睡眠模式之使用者，他們將很高興地發現：802.3bt規範提出了維持功率特徵的一種較低功率版本，被稱為「低MPS」。根據較舊的PoE標準，PD必須以32%的工作週期吸收一個小的DC電流，旨在告知PSE把PD保持在導通狀態。然而，這種相對較高的工作週期在某些應用中會迅速成為一項負擔，比如：當你考慮新的「高效節能型」建築標準時。目前，802.3bt PD僅需以~2%的工作週期維持一個小的DC電流，因而大幅度地減小了待機電流。

表2匯總了802.3bt PD的類型(Type)和特性。你或許對Type 1和Type 2 PD已很熟悉，它們分別由802.3af和802.3at規範提出，並且通常映射到一種或多種獨特的分級(功率水準)。然而，802.3bt的新型Type 3和Type 4 PD就不是那麼簡單了。正如可從「PD分級」欄看到的那樣，除了Class 0之外，Type 3 PD涵蓋和擴展Type 1和Type 2 PD中的分級。相似地，Class 5被Type 3單一特徵和Type 4雙特徵PD所採用。此外，從圖2可知，一個Class 5單一特徵PD僅被分配了40W，而一個Class 5雙特徵PD則被分配了2×35.5W；在雙特徵PD中會使情況更糟，因為每個線對是獨立工作的，而每個線對有可能處於不同的分級，例如：第一個線對上的Class 1(3.84W)和第二個線對上的Class 2(6.49W)形成了一個雙特徵Class 1.2(10.3W)PD。隨著雙特徵PD的所有此類分級重疊和非標準功率水準的激增，重要的是開發人員和使用者等不再將PD類型與PD分級視為等同，也不再將PD分級與PD功率水準視為同義。若作為替代，則明確地識別PD的特徵拓撲和分級、並謹慎地檢查PD「類型」的真實含義將是最有益的。

表2 IEEE 802.3bt PD類型和特性概要。

不言而喻，802.3bt可向後相容802.3at和802.3af。一個較低功率802.3at或802.3af PD可連接至一個較高功率802.3bt PSE，這不會有任何問題。而且，當情況反過來的時候，即一個較高功率802.3bt PD連接至一個較低功率802.3at或802.3af PSE，PD只需能夠工作在各自的較低功率狀態即可，這被稱為「降級」。如果PD忽略降級並工作在其最高功率狀態，則高耗電的PD將導致PSE反覆地導通，達到其電流限值，然後關斷。這實際上使PSE產生低頻寄生振盪。因此，「降級」是802.3at和802.3af規範所要求的，但遺憾的是在許多實施方案中被忽視了。

盡可能地使用所有的可用功率

高功率PD設計最重要的方面通常是成本和效率，這很大程度是受到選擇用於實現PD介面之IC影響。此外，從事空間受限型設計的開發人員還痛苦地意識到怎樣限制PD的尺寸只會成為更大的挑戰，原因是較高的功率水準需要使用較大的分立元件和較大的散熱器。為此，凌力爾特提供了三款專為實現802.3bt PD性能之最大化、也許更重要的是可簡化工作任務而特別設計的IC。圖2顯示具有一個輔助輸入的高效率單特徵802.3bt PD介面的簡化方框圖。該解決方案擁有高於94%的端到端(RJ-45輸入至PD負載)效率，並可在-40~125°C的溫度範圍內工作。

圖2中RJ-45介面上的LT4321是一款理想二極體橋控制器，其可取代兩個二極體橋式整流器(圖1)。LT4321採用低功耗N通道MOSFET橋以同時增加PD的可用功率並減少散熱量。802.3bt規範要求PD在其乙太網輸入端上能夠接受任何極性的DC電源電壓，如此LT4321可對來自資料線對和空閒線對的電源進行平滑的整流並將其整合為極性正確的單個電源輸出。由於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。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2 具輔助輸入的高效率IEEE 802.3bt單特徵PD介面的簡化方框圖。

在圖2中位於理想二極體橋控制器之後的是PD介面的「大腦中樞」LT4295，其為一款符合802.3bt標準的PD介面控制器，整合了一個高效率正馳式或無光耦合反馳式控制器。LT4295利用一個整合式25kΩ特徵電阻、高達5-event分級檢測和一種單特徵拓撲支援所有9種PD分級和所有4種PD類型。除了提供更多的PD功率之外，使LT4295優於傳統PD控制器的因素是其採用一個外部功率MOSFET以大幅度降低總體PD散熱量並實現電源效率的最大化，由於802.3bt的功率水準更高，因此這一點再次變得更為重要。這種新穎方法使用戶能夠按照應用的具體散熱和效率要求選擇MOSFET尺寸，從而允許選用導通電阻低至30mΩ的MOSFET。

如果802.3bt的71.0W讓您渴望獲得更多的功率，則可尋求凌力爾特LTPoE++ PSE和PD控制器系列的說明，這些元件能提供高達90W的功率水準。LTPoE++規範採用了一種與802.3bt規範相似的分級方案，可使LTPoE++ PSE控制器與LTPoE++ PD控制器可靠地相互通訊，同時保持與802.3at和802.3af設備的互通性。只需一根電纜，就能實現LTPoE++ PD在LTPoE++ PSE上的「隨插即用」，所有的訊號交換均利用硬體自動地處理，無需軟體！。

最後，對於那些具有必需能支援一個輔助電源的802.3bt PD(除了PoE 以外，PD還可選擇由一個牆式電源轉接器供電)的用戶，示於圖2頂部的LT4320是一款972V理想二極體橋控制器，其採用低損耗N通道MOSFET替代了全波橋式整流器中的全部4��二極體，以顯著降低功率耗散並增加可用電壓。由於電源效率的提升免去了笨重和昂貴的散熱片，因此可縮減電源和牆式電源轉接器的尺寸。另外，透過幾乎消除熱運行二極體橋中固有的兩個完整二極體壓降(1.2V，在12V時為10%)提供額外的裕度(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

雖然IEEE 802.3bt距離最後敲定還有很長時間，但是隨著這個標準的主要方面開始塵埃落定，開發人員現在就可以信心十足地為這個市場開發產品。802.3bt規範的PD類型、拓撲和分級支援較高的功率水準(達71.0W)，而新的MPS則在PD處於睡眠狀態時支援較低的待機功率。作為PoE技術的先驅和IEEE特別小組的積極成員，凌力爾特憑藉802.3bt，以及LTPoE++ PD和PSE控制器而持續位居PoE技術的最前端。是否利用這些可簡化設計、最大限度提高電源效率、儘量縮減尺寸和降低總體BOM成本的IC，並率先成為802.3bt市場的供應商，這就由聰明的你來決定了。

活動簡介

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