今天人們對于一根數據線的要求,除了能夠支持更高的傳輸速率,還需要能夠承擔起電能輸送的職責,在這方面我們最熟悉的一個例子就是USB,目前USB-PD協議可承載最高100W的功率傳輸。

這種“數據+電源”的混合傳輸的好處顯而易見,它能夠讓我們擺脫煩人的電源線,用一根線纜就可以滿足兩個需求,給用戶帶來更大的自由度。不過USB傳輸的距離有限,通常也就是1-2米以內,如果你希望在一個更大范圍的局域網中實現這種“數據+電源”的混合傳輸體驗,就需要以太網供電(PoE)技術來幫忙了。

實際上PoE的基本思路與USB-PD是相同的,它們都是在傳輸數據的同時,利用空閑線路或信號線路為終端接入設備供電。只要我們稍微打開一點腦洞,就不難想象出PoE的典型應用,比如樓宇自動化中的視頻監控、智能照明等,想添加一個新的節點設備,只需要預留一個RJ-45以太網口就行了,而無需專門布設市電網絡,這給用戶帶來的價值是顯而易見的。

PoE標準的升級之路

正是因為“很有用”,所以人們就開始琢磨如何讓其“商用”,而大規模商用一個重要的前提就是要將這個技術標準化,于是有了IEEE 802．3這個定義了PoE各項技術規范的標準,由此也解決了不同設備間兼容性的問題。

正如其他技術標準一樣,IEEE 802．3也在不斷的進化中根據市場需求的變化為自己增添新的技能。

第一代PoE的標準IEEE 802． 3af是在2003年發布的,基于當時人們對PoE應用場景的認識,這一版標準給PoE的定位就是:可以讓PSE設備(集成在路由器、交換機和集線器中)通過以太網電纜向IP電話等PD設備提供不超過15W的直流功率。15W這樣的功率水平,以今天的視角來看,確實有些保守。

很快,隨著越來越多樣的設備接入到以太網中,人們逐漸感覺到“電不夠用了”。于是2009年發布的第二代PoE標準IEEE 802．3at,就將提升供電功率作為了一個主要的升級目標。這個被稱為PoE+的標準果然不負眾望,將PoE支持的最大功率提升到了30W(通過CAT-5或更高級別線纜提供)。

市場在持續發展中,一個有生命力的標準也不會原地踏步。2018年9月,第三版(也是最新一版)的PoE標準IEEE 802．3bt正式發布。通過深度挖潛,IEEE 802．3bt嘗試在以太網電纜的8根導線(4對導線)上都加載電壓,充分利用了網線的功率承載能力,將PoE可以傳輸的最大功率提升到90W。這個功率水平,基本上可以滿足如今大多數中功率電子產品的要求了,也讓PoE可以覆蓋的應用領域大為擴展。

而且在最新的IEEE 802．3bt中,還增加了一個名為Autoclass的新特性。顧名思義,Autoclass實際上是一種自動檢測PD用電設備的實際功率消耗,并對其進行功率分級的機制,PSE供電設備可以根據PD的實際耗電要求按需提供電能,通過更精確的控制實現更高的效率。與此同時,IEEE 802．3bt還增加了兩種PoE設備類型(Type 3和Type 4)以及4種功率等級的定義,這實際上都有助于PoE在增加產品覆蓋的同時,實現更為智能的控制,讓PoE擁有更高的功率水平的同時(所謂“更高能”),也變得“更智能”。鑒于IEEE 802．3bt這種全面的能力提升,人們也將其稱為“PoE++”

新標準的新方案

新標準的落地,必須有與之配套的產品和方案的支撐,PoE++也不例外。伴隨著PoE++自身能提升,其應用范圍也還在進一步擴展(特別是在PD用電設備端),新的解決方案必須考慮得更為周全和長遠。

在PoE系統中,PSE和PD設備之間供電通道的建立,是通過一個握手協議來實現的,這個協議將在檢測、分級、供電、維護這樣一個完整的過程中負責兩者之間的通信和控制。與之對應的PoE協議管理,是通過一顆PD控制器芯片來完成的,而想要實現PoE++這個新標準,也就需要有全新的PD控制器來支持。

在符合PoE++的PD控制器研發方面,安森美半導體是動作比較快的一家。在2019年9月,他們推出了符合PoE++標準的PD控制器

NCP1095和NCP1096,這兩顆料不僅支持新標準的規范要求,包括新增的Autoclass能量管理特性,還向后兼容原有標準,同時還支持將功率擴展到100 W,可以滿足一些特定應用的要求。

除了需要通過全新的PD控制器“讀懂”新協議,隨著功率的提高,高能效設計的挑戰也更為突出。這也就需要為PoE++的產品中引入一些新的解決方案。

比如在PoE應用中,有時候PSE設備會配備不間斷電源(UPS),這時在PD端就需要用一個橋接電路來調節輸入電源的極性。以往簡單的二極管橋接設計是最普遍的方法,它提供了一個可靠而低成本的方案。但是隨著PD所需功率的增加,正向壓降引起的二極管橋的導電損耗就成了一個必須考慮的問題。對此,安森美半導體給出的新方案就是使用GreenBridge四通道MOSFET替代二極管橋,來降低橋路的功率損耗。

以符合PoE++標準的GreenBridge器件FDMQ8205為例,其中包含兩個N溝道和兩個P溝道 100V級 MOSFET,以及所有必要的門極驅動器,無需外部電路來驅動或保護,同時具有更低的RDS(on)。與傳統的二極管橋方案相比,基于 FDMQ8205 的PoE方案的功耗可降低10倍,而整體系統尺寸僅有傳統方案的1/4。

隨著人們對最新PoE標準的認知,未來也會有越來越多的新方案出現,最終為PoE++的成熟商用鋪平道路。盡管如今在物聯網市場,無線通信仍然是最吸睛的存在,但是基于以太網的互聯應用依然有很堅實的市場基礎,PoE的發展無疑會為這些有線互聯應用提供一個有力的支點。面對這樣的市場機遇,你是不是也有興趣來嘗試一下呢?