利用PoE 2乙太網路供電恢復正常運作

作者 : Christopher Gobok,ADI產品行銷總監

PoE 2可以透過千兆(GB)乙太網路電纜傳輸電源,為過去、如今和未來的許多需要大量功率和資料的應用奠定基礎,包括用於在人員進入工作場所之前,在入門位置對人員進行新冠肺炎篩查的遠端溫度監測系統和紅外線鏡頭。

IEEE新推出的乙太網路供電(Power over Ethernet;PoE)標準,也被稱為PoE 2或802.3bt (之前稱為PoE++),從推出至今剛滿3年,但其應用態勢比過去更為強勁。雖然因為受到2019年新冠肺炎疫情(COVID-19)的影響,遠端工作的數量增加,但每年部署的PoE埠數量也在持續增加。

雇主利用空下來的桌椅,升級IT基礎設施,打造因應未來的工作場所,希望最終能夠座無虛席。為了創建智慧辦公室,就需要在辦公室內配備多台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感測器。智慧辦公室具有諸多優勢,包括節能、簡化業務營運,或許更重要的是提升員工在工作場所的安全性。

新冠肺炎疫情只是加速突顯我們對可管控的建築暖通空調(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援PoE的系統。根據650 Group市場研究公司的資料,到2025年,全球交換機/PoE埠的出貨量預計將超過1.5億。

PoE 2在2018年獲得批准時,可以為通電裝置(PD)提供高達71.3W功率,這將近是之前標準(25.5W)的3倍。PoE 2可以透過相同的千兆(Gigabit;GB)乙太網路電纜傳輸電源,為過去、如今和未來的許多需要大量功率和資料的應用奠定基礎,包括用於在人員進入工作場所之前,在入門位置對人員進行新冠肺炎篩查的遠端溫度監測系統和紅外線鏡頭。

1顯示基本的PoE架構圖,其中一台PD連接至供電設備(PSE)。對於過去的幾代PoE,一個電源通道就足以為每個PoE埠供電。經過快速發展,現在,到了802.3bt,每個埠需要配備兩個電源通道,以實現中等和高位準,此外,可能還需要考慮提高每個通道的功率密度。在全球乙太網路市場中,支援PoE的埠數量在不斷增加。

受上述所有因素影響,IT部門需要部署大量高功率密度、高埠數量的系統,所有這些系統都要求達到99.999%的正常執行時間和可靠性。透過真正可擴展的PoE子系統來簡化高埠數量、支援PoE交換器部署是必要的,且這個需求由來已久。本文將深入研究這款PoE 2新平台在現今市場的地位。

Figure 1. Power over Ethernet block diagram.

1PoE架構圖。

基於平台的PSE設計方法

現代的交換晶片是非常複雜的系統,常常會面對非常嚴苛的環境條件,包括突波和電纜放電,且必須提供卓越的系統可靠性和正常執行時間。過去的PSE架構方法是在元件層級審查PSE子系統設計,重點關注增量組件改進,而這些改進並不一定會最佳化整體系統性能。若從更高層級審查PSE子系統,將迫使公司設計團隊開始重新思考PSE範例,並提供系統級解決方案。

ADI LTC9101/LTC9102/LTC9103和未來的衍生產品將採用系統級方法,透過將數位和類比元件組合來解決系統整合商面臨的PSE挑戰,包括1中列出的挑戰。

表1:PSE系統級挑戰和解決方案。

LTC9101/LTC9102/LTC9103屬於自隔離PSE控制器晶片組的一部份,基於襯底,專為PoE 2系統設計。2顯示簡化的原理圖,以及如何為多達48個乙太網路埠中的一個埠供電。晶片組具有新特性,其支援整合式隔離。所以在晶片組架構中,LTC9101為PSE主機提供隔離數位介面,而多個LTC9102和/或LTC9103提供高壓類比乙太網路介面。802.3乙太網路規範要求將網段(包括PoE電路)與底盤地和PHY進行電氣隔離。

透過將LTC9101置於非隔離側,將LTC9102或LTC9103置於隔離側,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乙太網路變壓器。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於製造的PSE設計。

Figure 2. Simplified schematic of the LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 24-port PSE chipset.

2LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 24PSE晶片組的簡化原理圖。

這種可擴展的解決方案支援彈性進行大型PSE系統,埠數量從4個到48個,具體由每個埠需要多少功率來決定。每個設計至少需要一個LTC9101數位控制器和一個或多個LTC9102/LTC9103類比控制器。

  • LTC9102提供12個電源通道,每個通道為乙太網路電纜中的4個電纜對中的2對供電,為12個30 W埠(每個埠使用一個電源通道)到6個90 W埠(每個埠使用兩個電源通道)供電。
  • 同樣,LTC9103提供8個電源通道,可用於為8個30 W埠到4個90 W埠供電。
  • 單個LTC9101可以管理多達4個LTC9102和/或LTC9103,其可混合和匹配使用。例如,可以使用1個LTC9101、1個LTC9102和2個LTC9103來建構24埠PSE,包含4個90 W埠和20個30 W埠,如3所示。

Figure 3. An LTC9102/LTC9103 mix-and-match implementation example: 24-port PSE with four 90 W ports and twenty 30 W ports.

3LTC9102/LTC9103混合/匹配實現示例:24PSE,包含490W埠和2030W埠。

IT和設備工程師喜歡LTC9101的第六代數位功能,包括用於儲存韌體更新的內部eFlash和自訂使用者配置套件、向後相容LTC4291 4埠PoE 2 PSE驅動器,以及I2C序列介面。LTC9101的現場可升級韌體映射儲存在專用的快閃記憶體分區中,在該位置預先配置了符合IEEE 802.3at/bt標準的韌體映射。

在單獨的ECC和CRC保護措施下,維護韌體映射的兩個完整副本,以最大限度保護資料。在成功啟動晶片組之後,使用者可以配置並透過LTC9101的I2C介面與晶片組通訊,每個埠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,且可以使用埠電流、PoE電源電壓和埠電源等的遙測讀數來管理系統電源。

LTC9101是晶片組的核心,LTC9102/LTC9103則是枝幹,透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電源通道都採用專用的檢測和分級硬體。這使得所有埠都能夠同時檢測、分級和上電,從而大幅降低交換晶片中的上電延遲。其他不太先進的PSE容易受到PD等明顯的延遲影響;例如,LED以序列埠為基礎供電。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)元件,以降低功耗並解除通道故障。使用0.1 Ω檢測電阻有助於進一步降低功耗。

PoE 2拓撲、檢測方案和功率分級

PoE 2引入了兩種不同的PD特徵配置:單特徵和雙特徵PD。單特徵PD (4)是在兩個線對(pairset)之間共用相同的檢測特徵和分級特徵的PoE2 PD PD。雙特徵PD是在每個線對上都具有獨立特徵的PoE 2 PD,允許每個線對具有完全獨立的分級和功率分配。雙特徵PD解決方案非常複雜,其成本是單特徵PD的兩倍。

值得注意的是,儘管共用一個相同的架構,802.3bt雙特徵PD並不等同於先前標準的UPoE裝置。LTC9101/LTC9102/LTC9103支援可靠的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特徵配置。

Figure 4. Single-signature vs. dual-signature PD topologies.

4:單特徵與雙特徵PD的拓撲結構。

除了進行連接檢查外,元件還需驗證連接的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特徵(25kΩ),但LTC9101/LTC9102/LTC9103透過同時採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,並可避免損壞未針對PoE直流電壓承受力而設計的網路裝置。

PoE 2為兩對導體(4線)供電,以提供高達25.5W的功率,為四對導體(8線)供電,以提供高達71.3W的功率。這不僅能實現更高功率水準,而且由於在所有導體通電後,電纜中的功率損耗減少了一半,因此使用更多導體可以提升舊有的低功率水準系統的效率。

例如,為確保PoE 1 PD可接收到25.5W,需要採用PoE 1 (PoE+) PSE提供30W功率,因為在100m的CAT5e電纜上的損耗為4.5W。四對導體透過PoE 2為相同的25.5W PD供電,通常可將損耗降低至2.25W以下,從而使總功率傳輸效率從85%提高至92.5%。考慮到全球PoE PD的數量,表示大幅降低功耗,在許多用例中,碳排放量可降低7.5%。

PoE 2引入四種新的大功率PD分級,從而使單特徵分級總數達到9個(如2所示)。分級5至8是PoE 2的新增分級,相當於40W至71.3W的PD功率水準。PSE仍然可選擇使用實體層(即用於71.3 W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依然必須能夠支援兩種分級方案以與標準相符。

請記住,因為每個線對在雙特徵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 (3.84W)和第二個線對上的Class 2 (6.49W)將形成一個雙特徵Class 1和Class 2 (10.3W) PD。

2PoE 2 PD分級和功率水準。

PoE 2 PD還可以實現實體層分級的一種可選擴展(稱為Autoclass),其中PoE 2 PSE (如LTC9101/LTC9102/LTC9103)晶片組測量連接PD的實際最大吸取功率。這樣,利用這種電源管理功能,可以將剩餘的功率分配給其他燈泡(如果測量某個燈泡,由於較低的亮度設定或電纜較短,其功耗低於其分級功率)。

不言而喻,PoE 2可向下相容舊的 25.5W 和13W 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忽略降級並工作於其最高功率狀態,則高耗電的PD將導致PSE反覆接通,在達到其電流限值後關斷,這實際上使PSE產生低頻寄生振盪。因此,PoE 1和PoE 2 PD都需要降級,但遺憾的是在許多建置方案中降級被忽視了。

非常高效的PD

ADI提供大量獨特的IC,其中並包括來自Maxim Integrated( 現已成為ADI的一部份)之設計,以盡可能提高PoE 2 PD的性能。3顯示了具有輔助輸入的高效單特徵PoE 2 PD介面的簡化方塊圖。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°C至125°C的溫度範圍內工作。

5中RJ-45介面上的 LT4321是一款主動二極體橋控制器,可用來取代所需的二極體橋式整流器。LT4321採用低損耗N通道MOSFET橋,可同時提升PD的可用功率並減少散熱量。PoE 2要求PD在其乙太網路輸入端上能夠接受任何極性的直流電源電壓,因此LT4321可將來自兩組資料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,並且功率可降低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。

Figure 5. A simplified block diagram of a high efficiency IEEE 802.3bt single-signature PD interface with auxiliary input.

5:具有輔助輸入的高效IEEE 802.3bt單特徵PD介面的簡化方塊圖。

5所示的理想二極體橋控制器是PD介面的「大腦中樞」, LT4295 是一款PoE 2 PD介面控制器,整合了一個高效的順向式或無光耦合反馳式控制器。LT4295利用一個整合型25kΩ特徵電阻、高達5事件分級和單特徵拓撲支援所有9種IEEE PD分級。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以進一步大幅降低總體PD散熱量並充分提高電源效率,由於PoE 2的功率水準更高,因此這一點變得更為重要。

對於那些需要能夠支援輔助電源的PoE 2 PD設計,PD可以選擇由電源配接器供電,3頂部所示的 LT4320是一款9V至72V主動二極體電橋控制器,它採用低損耗N通道MOSFET取代了全波橋式整流器中的全部4個二極體,以明顯降低功耗並增加可用電壓。由於電源效率的提升免除了笨重和昂貴的散熱器,因此可縮減電源和牆上變壓器的尺寸。

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,即12V的10%)提供了額外的餘裕,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

在現今不斷發展的全球乙太網路市場中,PoE 2仍然相當重要,即使在遠端工作持續突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,安裝支援PoE的掃描器、鏡頭和其他系統來保護員工安全,所以比以往更加需要高埠數PSE。ADI的LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 PSE晶片組能夠滿足這種需求,其讓交換晶片供應商能夠高效、可靠地為高達48個乙太網路埠供電,且為設施和IT工程師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多款IC來提高整合度,減少散熱量,並提升電源效率。

 

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