採用乙太網路供電(power over Ethernet,PoE)技術的LED照明已經問世約六年了,但LED照明產業直到最近才開始關注這項技術。而隨著IEEE批准的IEEE 802.3bt-2018乙太網路標準草案第二次修訂版:四對網線乙太網路供電(Amendment 2: Power over Ethernet over 4 Pairs)的發佈,可能會為整體情況帶來變化。

PoE最初應用於思科(Cisco)在2000年開發的專屬IP語音(VoIP)系統,每一代新的PoE標準和技術都包含更高的功率規格。在此同時,LED燈具的功效也在逐年演進,到了2017年,現已被取代的IEEE 802.3at標準所規定之25.5W限額,足夠為室內近四分之一的燈具供電。

IEEE標準協會理事會(Standards Association Board)於2018年9月27日批准通過IEEE 802.3bt標準,包括針對LED照明系統應用的一些重要改善,主要推動因素是透過使用四對網線,在長達100m的電纜上傳輸高達90W的電力;這可讓多個燈具使用菊鏈(daisy chaining)連接,從而簡化安裝過程(圖1)。

EDNT190115_LEDlighting_NT31P1

圖1:乙太網路供電LED照明。
(來源:H. E. Williams)

新規格中的其他增強功能包括提高當前PoE功率水準(即25.5W輸出功率)的效率,因為纜線功耗減少了大約一半。舉例來說,以先前標準運作的供電設備需要提供至少30W的功率,以確保用電設備收到25.5W的功率,因為乙太網路電纜可能損耗多達4.5W電能。在新標準下為同一設備供電將使損耗降至2.25W以下,效率提高約7%。

此外,供電設備現在能夠確定每個連網設備的最大功耗,並據此設定輸出功率,從而改善整個系統的運作效率。最後,由於維持功率特徵訊號(power signature signal)所需的佔空比減小,待機電源要求現在也降低了,僅需0.02W即可維持供電連接。由於能源效率很可能是LED照明系統最引人注目的賣點,新規範的變化有助於推動PoE控制系統的發展。

筆者最近前往美國密蘇里州的迦太基(Carthage)拜訪照明設備製造商H. E. Williams,在PoE系統的發展細節上獲得不少啟發。如圖1所示,PoE照明系統包括五種基本零組件:網路控制器、使用者介面、PoE交換器、燈具,以及感測器或開關等輔助設備。

燈具的資料和電源接收,是透過在燈具外殼內增加一個「節點」(node),並連結至LED光引擎電源和調光輸入端來實現的;根據連網燈具及其相關輔助裝置的功能,該節點也可以處理其他功能。如美商Igor的節點可讓多個設備連接到PoE網路。

EDNT190115_LEDlighting_NT31P2

圖2:Igor的PoE網路節點。
(來源:H. E. Williams)

圖2中的黃色PoE埠可與PoE交換機的乙太網路連結,藍色埠透過受限應用協議(constrained application protocol)工作,並用於菊鏈連接到其他燈具或輔助設備(例如感測器)。網路節點的外殼尺寸為3.875吋×3.5吋。Igor並依據新的IEEE 802.3bt標準對其節點外形做了一些修改,使其更接近傳統的LED驅動器尺寸。另一個很棒的增強功能是加入了一個USB埠,如圖3左下角所示。

EDNT190115_LEDlighting_NT31P3

圖3:Igor的PoE節點符合IEEE802.3bt規範。
(來源:H. E. Williams)

由於AC-DC電源轉換的數量減少,與傳統的交流電系統相比,PoE照明系統可以提供更高的整體能效。在評估總系統功耗方面,乙太網路電纜損耗似乎是主要考慮因素,這一指標對於希望取得節能補助的終端使用者來說尤其重要。

美國電器製造商協會(NAMA)與美國國家標準協會(ANSI)針對節能PoE照明系統的最低安裝需求提供了規格書《NEMA/ANSI C137.3-2017 Minimum Requirements for Installation of Energy Efficient Power over Ethernet (PoE) Lighting Systems》。具體而言,該標準規定了最低線規,要求平均電阻線損耗小於總傳輸功率的5% (假設平均電纜長度為50公尺);但是由於每個安裝案例或多或少都有不同,因此必須根據具體情況評估總損耗,而目前還沒有關於評估方法的指導性標準。

本文同步刊登於2019年1月號電子技術設計平面雜誌

(參考原文: Has PoE for lighting finally arrived?,by Yoelit Hiebert)