PoE技術為新一代5G物聯網裝置供電

作者 : Galit Mendelson,Microchip PoE行銷與業務拓展資深理理

乙太網路供電(PoE)技術為5G部署的裝置供電上帶來了諸多優勢。同時,最新的IEEE 802.3bt標準透過限制PSE和PD的功率限值,更進一步實現這種可能性...

新一代5G技術可提供具有更高速度的先進行動網際網路連接,藉由實現各種物聯網(IoT)和大數據(Big Data)應用,從而創造新的商機。這些應用對於將更多受電裝置(PD)類型連接至乙太網路帶來了前所未有的需求,包括IP監控攝影機、802.11ac和802.11ax接取點、LED燈具、5G小型基地台以及其他IoT家電。

乙太網路供電(PoE)技術為5G部署的設備供電方面帶來了諸多優勢。同時,最新的IEEE 802.3bt標準透過將供電設備(PSE)和PD的功率限值分別設定為90W和71.3W,讓這種可能性成為現實。

挑戰在於如何部署支援這項最新一代PoE技術的PD,使其能夠與現有的pre-IEEE 802.3bt 2-pair和4-pair PD協同工作,也就是支援較早的Universal PoE (UPOE)前期標準和Power-over-HDBaseT (POH)規格。如今,業界已經彌合了這種互通性的差距,確保符合前期標準和全新IEEE 802.3bt-2018標準的PD能夠共用相同的乙太網基礎設施,而無需更換現有的交換機或佈線。

邁向IEEE 802.3bt之路

自2003年批准第一個PoE標準以來,PoE的應用範圍大幅擴展,並且在新應用方面不斷取得進展。在簡化安裝、節省CAPEX和OPEX成本以及為全球使用提供統一且安全的電源標準方面,PoE擁有巨大優勢。

在新應用中影響PoE使用的主要限制因素是可用功率的大小。儘管15.4W的電源足以滿足大多數IP電話和802.11a/b/g接取點的需求,但卻無法為IP視訊電話、802.11n和水平垂直變焦控制(PTZ) IP攝影機供電。因此,IEEE在2009年發佈了IEEE 802.3at標準,規定了功率為30W的PoE電源。

如今,業界需要更高功率來為連接到乙太網路的更多裝置(如PTZ監控攝影機、自助服務終端、POS終端、精簡型客戶端、802.11ac和802.11ax接取點、小型基地台以及連網LED照明)提供支援,而這類裝置均可從PoE中受益。為了滿足這一需求,新的IEEE 802.3bt標準主要利用四對結構化佈線,提高PoE的最大可用功率。IEEE 802.3bt擴展了在初始協商期間交換的電源分類資訊,可實現高效的電源管理功能,支援多個PoE等級,同時還可向後相容。這些增強功能解決了更高功率和更高效PoE供電系統帶來的挑戰。

IEEE 802.3bt標準‘Call for Interest’(CFI)活動於2013年初展開,並於2018年9月獲得正式批准。由於該新標準透過將PSE和PD的功率限值分別設定為90W和71.3W以拓展PoE的使用場景,因此不但能夠滿足現有市場需求,還被普遍認為是PoE市場成長的主要推動因素。

不過,在IEEE 802.3bt實施之前,也有一些同步展開的計劃致力於提高PD的供電性能。從IEEE 802.3af-2003 PoE標準開始,能夠透過兩對5e類(Cat 5e)線纜為每個裝置提供最高達15.4W的輸出功率。IEEE 802.3at-2009標準(也稱為PoE+)導入了支援30W輸出功率和25.5W負載功率的‘Type 2’PSE/PD。後者主要是對第一項標準的擴展。隨後,HDBaseT聯盟對HDBaseT協議進行了標準化,允許透過Cat5e或更高標準的線纜將HDMI鏈路擴展到最長100m。2011年,HDBaseT聯盟創建了HDBaseT供電(PoH)標準,這項標準將四對線纜的最大供電功率擴展到95W。

表1匯整了IEEE 802.3bt之前的標準:

表1:如果已知通道長度,則擴展功率容量能夠實現最高95W的PD輸入功率。

IEEE 802.3bt添加了許多功能。除了導入Type 3和Type 4 PSE/PD以及透過四對線纜工作之外,這項標準還支援單簽核和雙簽核PD結構,並將等級5到等級8添加到了改進的雙向認證過程中。只要通道長度已知,就會添加自動分級功能,功率容量也會得到擴展。最後,這項標準還包含低功耗待機功能,並且支援採用PoE的10G-BASE-T。

表2顯示在IEEE 802.3bt標準通過後所提供的PoE功能。

表2:如果已知通道長度,則擴展功率容量能夠實現最高60W (Type 3)和90W (Type 4)的PD輸入功率。

IEEE 802.3bt標準的目標之一是符合ISO/IEC 60950中定義的有限電源和安全特低電壓(SELV)要求。但是,這種合規性意味著每埠功率都不能超過100W。儘管存在這一功率上限,但每埠100W的功率仍足以滿足先前在原有IEEE標準時並不支援的應用需求,這樣便能擴展PoE埠部署的潛在數量。

確保互通性

只有PSE能夠(在功率方面)支援 PD且兩者均相容標準,IEEE 802.3bt規範才能確保IEEE 802.3bt系統自動與傳統Type 1和Type 2裝置搭配合作業。如果PD需要更高的功率(IEEE 802.3bt PD)而PSE無法支援該PD (IEEE 802.3af/at PSE),那麼PD將保持關閉狀態,或者進入開啟狀態而只消耗來自PSE的可用功率。

最早提供這種互通性的解決方案示例之一是微芯科技(Microchip)的PSE晶片組,它實現了符合前期標準的交換機與符合IEEE 802.3bt-2018新標準的產品之間互通。該晶片組基於Microchip的早期PSE晶片組,用於實現已廣泛採用的PoH四對供電標準(適用於95W PD)。另外,它也是符合IEEE 802.3bt-2018標準的PoE供電器和中途跨接產品的核心,可為用戶彌合互通性差距。

透過在PD與現有交換機之間安裝符合IEEE 802.3bt-2018標準的PoE供電器和中途跨接產品,用戶能夠為符合前期標準的PD與符合IEEE 802.3bt-2018標準的PD的任意組合供電。透過使用單埠和多埠選項,符合新IEEE 802.3bt標準的交換機也能夠為滿足前期標準的PD供電。

對於系統開發人員而言,IEEE 802.3af/at/bt PoE晶片組提供了可擴展性,能夠將支援符合前期標準和符合IEEE 802.3bt-2018標準的PoE所需2-pair和4-pair系統整合到單板設計中。這些晶片組必須能夠均衡整個系統的散熱,並且應包含構建PSE設備所需的所有管理器和控制器功能,為每埠提供90W至99.9W的功率,同時為IEEE 802.3bt Type 3 (1-6級)和Type 4 (7-8級)應用提供最多48埠的支援。需要額外考慮的是,基於這些晶片組的系統無需更改硬體,即可透過軟體更新將早期標準升級到IEEE 802.3bt標準。開發人員的另一個顧慮在於能否保護PD免受反極性連接的影響,並減少提供IEEE 802.3bt Type 4 8級電源所需的電源空間和成本。藉由在PoE連接的供電側使用全橋整流器,最新的IEEE 802.3bt解決方案也解決了這一問題。

新的IEEE 802.3bt標準能夠透過四對Cat5e線纜及更高標準線纜,提供90W的功率。這一PoE等級預計會是定義的最高級別,因為更高級別對於當今基礎設施中部署的現有線纜和連接器可能並不安全。該標準將取代目前提供60W/75W/95W的所有現有符合前期標準的解決方案,例如UPOE或4PPoE。

PoE系統和裝置供應商提供了實現這些新標準的藍圖,同時也為早期符合前期標準的建置方案(包括支援UPOE和POH規範的建置方案)提供支援。符合前期標準的PD和符合新IEEE 802.3bt-2018標準的PD在合理實現後可以共用相同的乙太網路基礎設施,而無需更換現有的交換機或線纜。

 

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