作者：貿澤電子Mark Patrick

以太網協議IEEE 802.3正在從傳統IT領域不斷擴展到新興應用和市場。如今，由于時間敏感網絡（TSN）等標準的加強，以太網已部署在零售銷售點設備、安全監控攝像頭以及工業等領域。以太網還在自動駕駛汽車等核心應用中成為必不可少的快速、可靠和安全網絡，從而在汽車應用中嶄露頭角。多年來，以太網的大多數參數改進都集中在提高數據傳輸速率上，但是，2003年批準的802.3af引入了以太網供電（PoE）技術，即能夠通過以太網電纜傳輸功率。

為什么要采用PoE？

對于VoIP、安全攝像頭和樓宇自動化等許多應用，隨著以太網成為這些新應用的首選網絡接口，通過單一電纜同時傳輸數據和功率既節省成本，又非常便捷，因而變得非常有吸引力。PoE能夠使交換機和無線接入點等網絡基礎設施的部署更加簡捷，不再需要為每個網絡設備進行耗時且昂貴的交流電源插座安裝， PoE還可在斷電時為一些基本基礎設施設備提供緊急電源。

PoE支持的設備部署正在不斷擴展到零售、制造、安全和訪問控制等市場，而且這會反過來給PoE標準組織施加壓力，要求他們尋求提高功率傳輸能力的新技術。

PoE標準演進

PoE的基本概念涉及使用電源設備（PSE）向受電設備（PD）供電。當今提供的大多數網絡基礎設施設備都具有PSE功能或在訂購時可以選擇。端跨（endspan，也稱為端點）PD具有內置電路，可從從以太網插槽中汲取功率來進行操作。對于未配備支持PoE交換機的現有和傳統以太網基礎基礎設施，中跨（midspan）PoE注入器可為端跨供電。同樣，在受電設備處，PoE分離器用于分離電源和數據信號，并可為未配備PoE的受電設備提供穩定的直流電壓。

最初的PoE標準802.3af于2003年發布，使用Cat5以太網電纜中四對雙絞線中的兩對（請參見圖1）。

圖1：使用兩對雙絞線的802.3af兼容PoE實現。

PoE標準允許線路損耗，并規定負載的電壓范圍為37～57V。基于在37V下提供最大350 mA電流，功率容量為12.95W。

圖2：PoE標準，其中顯示了類型和類別。

隨著對更高功率的需求不斷增長，陸續發布了新標準，使Class 8設備的功率容量達到90瓦。在802.3bt標準（也稱為PoE +）下，Class 5 和Type 3以上設備使用所有四對電纜傳輸功率。PSE提供的電壓因設備類型而異，對于Type 4設備，電壓范圍為52～57V，最大額定電流為960 mA。

從早期開始，PoE就已經廣泛用于安全攝像頭，其13瓦的受電設備功能足以為大多數簡單的攝像頭供電。但是，在能夠實施遠程搖攝、俯仰和變焦的IP攝像頭問世之后，這些設備需要更高的功率預算。802.3bt標準的推出標志著從使用兩個電纜對轉變為使用四個電纜對。伴隨PoE供電能力的增強，已經迅速為更多應用打開了大門，其中之一是樓宇自動化系統，它可以管理現代化辦公室的供暖、通風、照明和訪問控制等。現在可以通過PoE來管理LED燈串及其相關的控制設備。

通過引入四對配置，802.3bt標準提供了一種在單個受電設備中提供兩個獨立電源軌的機制。這種方法允許創建不同的電壓軌，例如+3.3 VDC和+5 VDC，或±2V電源。圖3所示為供電的兩種方法：單簽名和雙簽名。

圖3：使用單簽名或雙簽名PoE供電架構。

隨著PoE應用于越來越多聯網設備，尤其是消費類和商用設備，以太網聯盟認為PoE的認證計劃將能夠提供一種快速簡便的方法，可以輕松識別能夠互操作的產品。目前正在就兩對電纜應用進行Class 4及以下級別的認證（稱為EA1），并于2020年末開始引入最高Class 8（EA2）認證。對正式認證框架是否兼容會嚴重影響任何技術的購買決定，因此，符合PoE認證計劃可能會成為所有新產品營銷規范的重要方面。工程團隊將需要熟知認證要求和測試方法，并在開發周期中花足夠的時間來充分準備測試。新罕布什爾大學（The University of New Hampshire）是以太網聯盟授權的PoE認證唯一測試機構。

在設計中實施PoE

在終端節點設備中實現PoE功能需要分離出從PSE接收到的功率，實現以太網控制功能和功率轉換。許多制造商將這些功能集成到單個PoE IC。

Silicon Labs的Si34071是一種節省空間的解決方案，可將外部組件的數量降至最低。Si34071完全符合Class 8 的802.3bt標準，并集成了高效峰值電流模式DC/DC轉換器，能夠提供可配置的開關頻率，所有這些功能都在一個薄型5 x 5mm QFN封裝內實現。Si34071還提供有一個UART接口，用于連接到主機MCU。圖4展示了Si34071的功能框圖，圖5則突出顯示了Si34071AC5V8KIT PoE評估板中Si34071的使用。

圖4：Silicon Labs Si34071 PoE IC的功能框圖。

圖5：采用Silicon Labs Si34071AC5V8KIT評估板的受電設備PD Class 8、71瓦接口簡化框圖。

Si34071AC5V8KIT評估板可提供單簽名5V/14A輸出，隔離式正向拓撲DC/DC轉換器的工作效率優于91％。該設計具有自動分類開關（Class switching），瞬態和過壓保護等功能。

對于開發PSE端設計，Silicon Labs的 Si3474 PSE IC可提供四個90瓦802.3bt兼容PoE端口或最多八個30瓦802.3at/af PoE端口。

Microchip可針對PoE應用原型提供全面的PSE和PD IC以及開發套件。 Microchip的PD69208T4完全符合802.3af、at和bt標準，支持多達8個2對或4對4型PD要求的端口，最大輸出功率為95瓦，是與PD69210控制器配合使用的PoE電源管理IC。這些PSE IC適合PoE交換機、路由器和中跨設備等應用，它們還適用于各種工業自動化設備和LED照明控制器。

Microchip還提供了完整的中跨PoE注入器單元，其中一款是PD9501GCO，該單端口中跨單元專為室外應用而設計，防護等級為IP67，向后兼容802.3at和802.3af標準，是安全攝像頭和無線局域網接入點等外部應用的理想選擇。

意法半導體（STMicroelectronics）還提供一系列PoE-PD設備。 PM8805是符合IEEE 802.3bt單簽名標準的PoE PD接口，具有集成的雙主動橋式MOSFETS配置，因為它們的正向電壓損耗較低，因而可替代二極管。

結論

以太網供電已從剛剛開始的相對較低功率發展成為適于多種應用的電源選擇方案，可理想用于包括安全攝像頭和樓宇自動化系統在內的多種應用。其功率容量在演進到90瓦時能夠大大擴展應用范圍，并將有助于將以太網部署加速擴展到更多市場領域。