高能效的以太網(wǎng)供電方案解決達100 W功率需求的應用挑戰

網(wǎng)絡(luò )規模的激增使得相應設備對功率的需求顯著(zhù)增長(cháng)。以太網(wǎng)是這技術(shù)生態(tài)系統的關(guān)鍵一環(huán)。新的以太網(wǎng)供電 (PoE) 通用標準 (IEEE 802.bt) 提供高達90瓦的功率，安森美半導體的PoE-PD方案不僅支持新標準的功率限制，還將功率擴展到100 W，解決高功率需求挑戰，用于包括智聯(lián)照明、安防攝像、數字標牌、電信、銷(xiāo)售點(diǎn)(POS)終端、衛星數據網(wǎng)絡(luò )等應用，并具備靈活、高性?xún)r(jià)比和高能效等優(yōu)勢。

什么是PoE和IEEE 802.3bt？

PoE是IEEE 802.3af和802.3at標準定義的一種聯(lián)網(wǎng)功能。PoE技術(shù)可通過(guò)以太網(wǎng)電纜傳輸電力和數據。通過(guò)供電設備(PSE)和受電設備(PD)之間的連接來(lái)管理傳輸的電量。在此過(guò)程中，PSE根據PoE標準識別PD設備的類(lèi)型和類(lèi)別，然后確保其接收適當且安全的電量。

IEEE 802.3bt是新的PoE標準，也稱(chēng)為“PoE++”，于2018年9月獲批，兼容IEEE 802.3af等現有標準，與現有標準有兩個(gè)不同的關(guān)鍵點(diǎn)：

1.使用PoE電纜中的所有四對導線(xiàn)增加PSE可提供的輸出功率

2. 通過(guò)識別兩種新的設備類(lèi)型(3類(lèi)和4類(lèi))和四個(gè)新的類(lèi)別(5至8) 來(lái)提高能效

安森美半導體最近推出的PoE-PD方案

不斷上升的能源成本、對更小方案的需求、需要符合多個(gè)標準及解決受限的預算等等給設計人員提出了一系列挑戰。安森美半導體采用其獨特的高壓制造工藝，開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的PoE-PD方案以解決挑戰，這些方案在緊湊的空間內以高能效和低熱量運行。

1）GreenBridge?四通道MOSFET方案替代二極管橋方案顯著(zhù)提高PoE能效

PoE應用中的PD需要一個(gè)橋接電路來(lái)調節輸入電源的極性，而為PD供電的PSE配備了不間斷電源(UPS)。 簡(jiǎn)單的二極管橋設計雖然已成為解決此問(wèn)題的最流行方法，并且提供了可靠、低成本的方案。 但隨著(zhù)PD需要更多的功率，由正向壓降引起的二極管橋的導通損耗成為有待解決的主要問(wèn)題之一。 安森美半導體針對此問(wèn)題開(kāi)發(fā)出GreenBridge方案FDMQ8203 (Greenbridge? 1)和FDMQ8205 (Greenbridge? 2)，可有效減少橋電路中的功率損耗。

FDMQ8203集成雙P溝道和雙N溝道MOSFET到一個(gè)緊湊、熱性能優(yōu)化的表面貼裝封裝中，采用FDMQ8203設計僅需添加外部驅動(dòng)和保護電路以驅動(dòng)和保護MOSFET。經(jīng)測試，基于FDMQ8203的GreenBridge方案比等效的二極管橋提供更低功率損耗、更高能效、更低工作溫度，PCB面積減半，如圖1所示。

圖1：GreenBridge? 1方案對比二極管橋方案的功率損耗和能效

FDMQ8205符合 IEEE802.3at 標準，集成雙N溝道和雙P溝道100 V MOSFET及所需的門(mén)極驅動(dòng)器，無(wú)需外部驅動(dòng)或保護電路，具有市場(chǎng)最低的導通電阻?；贔DMQ8205的GreenBridge方案比傳統二極管橋方案的功率損耗改善10倍，尺寸不到傳統二極管橋方案的1/4，且實(shí)現比FDMQ8203更好的熱性能，有助于提高設計的功率密度。

圖2：GreenBridge? 2方案對比二極管橋方案的功率損耗和能效

2）符合IEEE 802.3bt的PoE-PD接口控制器：NCP1095和NCP1096

NCP1095和NCP1096符合IEEE 802.3 bt標準，提供達100瓦功率，具有實(shí)施PoE接口所需的所有特性，包括檢測、自動(dòng)分類(lèi)和限流。NCP1095具有外部導通晶體管，支持自動(dòng)分類(lèi)以根據PD類(lèi)型和分類(lèi)來(lái)優(yōu)化功率分配。NCP1096提供更高的集成度，內置熱插拔FET晶體管，具有Type 3或Type 4 PoE控制器可提供的最低導通電阻(RDS-on)。安森美半導體提供NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評估板，使設計工程師可以快速評估兩個(gè)控制器的運行，然后實(shí)施有助于設計流程的物理設計。 它們包括GreenBridge2有源橋、RJ45連接器和局域網(wǎng)(LAN)變壓器。

圖3：NCP1095/NCP1096及其評估板

3）100 V N溝道屏蔽門(mén)極PowerTrench^? MOSFET：FDMC8622

FDMC8622采用先進(jìn)的PowerTrench^? 工藝，結合屏蔽門(mén)極技術(shù)，可實(shí)現極低的導通電阻、高功率和高電流處理能力，且采用廣泛使用的表面貼裝封裝，100% 經(jīng)過(guò) UIL 測試。

4）DC-DC控制器：NCP1566

NCP1566 是高度集成的雙模式有源鉗位 PWM 控制器，用于電信和數據通信應用的下一代高密度、高性能和中小功率級隔離 DC-DC 轉換器。它可以配置為帶輸入電壓前饋的電壓模式控制，也可配置為峰值電流模式控制。峰值電流模式控制也可實(shí)施輸入電壓前饋?？烧{節自適應重疊時(shí)間基于輸入電壓和負載條件優(yōu)化系統能效。此控制器集成了實(shí)施隔離有源鉗位正向和不對稱(chēng)半橋轉換器所需的所有必要控制和保護功能。

5）高壓瞬態(tài)抑制、ESD保護：ESD8004

ESD8004 用于為高速數據線(xiàn)提供針對 ESD 的保護，具有超低電容和低 ESD 鉗位電壓，是保護對電壓敏感的高速數據電路的理想方案。

為何采用PoE？

雖然無(wú)線(xiàn)聯(lián)接提供許多顯著(zhù)優(yōu)勢，但技術(shù)生態(tài)系統中使用的所有設備所需電源和數據要求千差萬(wàn)別，可能某些設備具有很好的無(wú)線(xiàn)聯(lián)接能力，但還有一些會(huì )得益于PoE的特性和能力，而且PoE提供許多優(yōu)勢，如：

●   節省時(shí)間和成本：由于不需要電源線(xiàn)，因此節省了安裝時(shí)間，減少了成本，且無(wú)需合資質(zhì)的電工。

●   靈活性：無(wú)需靠近電源。 設備可放置在可以運行局域網(wǎng)(LAN)電纜的任何地方。

●   可靠性：集中式電源取代了低成本的壁式適配器，支持系統由單個(gè)不間斷電源供電。

●   安全性：比無(wú)線(xiàn)更難被黑客入侵或攔截

●   PoE能夠同時(shí)傳輸電力和數據，減少了線(xiàn)束，高效便利

總結

新的PoE標準IEEE 802.3bt支持設計人員向PD提供達90 W的功率，開(kāi)啟更高功率應用的大門(mén)，包括智聯(lián)照明、安防攝像、數字標牌、電信、銷(xiāo)售點(diǎn)(POS)終端、衛星數據網(wǎng)絡(luò )等應用。安森美半導體提供全系列符合IEEE 802.3bt的PoE-PD方案，還將功率擴展到100 W，并提供大量參考設計和應用注釋?zhuān)鉀Q能效、尺寸和熱性能等挑戰，使這項技術(shù)更容易廣及所有開(kāi)發(fā)工程師，有助于使更多聯(lián)接的設備具有保證的互操作性和更高能效。