每個(gè)工程師都應了解的有關(guān)IEEE 802.3bt PoE的知識

以太網(wǎng)供電（PoE）是IEEE 802.3af和802.3at標準定義的一種聯(lián)網(wǎng)功能。PoE使以太網(wǎng)電纜可以通過(guò)現有數據連接同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )設備供電和傳輸數據。IEEE 802.3bt標準已于2018年9月27日獲得IEEE-SA標準委員會(huì )的批準，可通過(guò)以太網(wǎng)鏈路傳輸更多電力。在這里，我們討論為何這很重要，以及工程師如何利用這一潛力。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構隨時(shí)可用，為何我們仍在使用有線(xiàn)連接？好吧，無(wú)線(xiàn)聯(lián)接很方便；但建筑物和家庭中已有數百萬(wàn)英里的有線(xiàn)CAT5e電纜，因此有線(xiàn)連接仍在使用中，而且有線(xiàn)比無(wú)線(xiàn)（企業(yè)網(wǎng)絡(luò )如大學(xué)通常都是有線(xiàn)的）更難被黑客入侵或攔截，且長(cháng)的有線(xiàn)電纜成本很低。如果您有一幢由磚、石頭和金屬構成的建筑物，那么在許多情況下都能獲得良好的無(wú)線(xiàn)信號（5G具有更好的室內覆蓋范圍，但完全部署還需時(shí)日）。如果要接入以太網(wǎng)電纜信號，則必須切入。此外，無(wú)線(xiàn)更容易受到其他信號和無(wú)線(xiàn)電波的破壞，而有線(xiàn)電纜通常被屏蔽并提供“即插即用”體驗，并且具有更好的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

圖1 802.3bt PD端應用電路圖，安森美半導體的FDMQ8205A橋式整流器和NCP1096 PoE-PD接口控制器（圖片由安森美半導體提供）

802.3bt系統架構

系統結構使用電源設備（PSE），一種可通過(guò)以太網(wǎng)電纜為受電設備（PD）供電的電源控制器。 IEEE 802.3bt標準指出：“PD是消耗功率或請求功率的設備部分，參與PD檢測算法。能夠成為PD的設備可能具有從備用電源汲取功率的能力。需要從電源接口（PI）供電的PD可能同時(shí)從備用電源供電?！钡湫偷腜D是一種設備，如IP電話(huà)、無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)、安防攝像機等，從以太網(wǎng)電纜接收電力。電源接口（PI）是PSE或PD與傳輸介質(zhì)之間的機械和電氣接口。這是在IEEE802.3bt標準的“PD PI當前定義”第1.4.324節中定義的。

以前的PoE標準僅使用以太網(wǎng)電纜中八根導線(xiàn)中的四根來(lái)傳輸直流電流，IEEE工作組選擇對802.3bt使用所有八根導線(xiàn)。IEEE Std 802.3bt-2018修正案2指出：“此修正案使用結構化布線(xiàn)工廠(chǎng)中的所有四對電線(xiàn)，增加了功率傳輸，從而為終端設備提供了更大的功率。該修正案還降低了終端設備的待機功耗，并增加了一種機制來(lái)更好地管理可用功率預算?！?/p>

IEEE標準委員會(huì )的目標是增加從電源設備（PSE）到受電設備（PD）的電量。提供給PD的這些額定功率水平高達71.3 W（90W來(lái)自PSE），同時(shí)大大降低了PD睡眠時(shí)所需的待機功耗。

圖2 最壞情況下的通道為6.25歐姆，負載的恒定功率為71.3W（Class 8）。每條導線(xiàn)1.73A或0.433是可在兼容系統中流動(dòng)的最高額定電流（圖片由參考文獻2提供）

自動(dòng)分類(lèi)特性

IEEE 802.3bt標準的第145.8.8.2節對稱(chēng)為“自動(dòng)分類(lèi)”的物理層分類(lèi)進(jìn)行了可選擴展。啟用此功能后，PSE會(huì )確定所連接的PD設備消耗的實(shí)際最大功率。自動(dòng)分類(lèi)（Autoclass）僅針對單特征（single signature）PD定義（有關(guān)單特征定義，請參閱下一節）。

當PSE實(shí)施Autoclass時(shí)，在POWER_ON且同時(shí)pd_autoclass為T(mén)RUE時(shí)測量PAutoclass。請參閱本文標題為“一個(gè)802.2bt最壞情況的示例”的部分，顯示發(fā)送給PD的功率未達到所需滿(mǎn)功率的情況。如果啟用自動(dòng)分類(lèi)功能，則可以糾正這種情況。有關(guān)更多詳細信息，請參見(jiàn)Embedded Computing Design刊登的文章 “通過(guò)自動(dòng)分類(lèi)優(yōu)化PoE輸出功率” 。

圖3 PD電流不平衡驗證電路（圖片由參考文獻1提供）

單特征 / 雙特征

IEEE 802.3bt提供兩種新的PD拓撲，分別稱(chēng)為單特征和雙特征。單特征PD在兩個(gè)線(xiàn)對之間具有相同的分類(lèi)、維持功率特征（MPS）和檢測特征。雙特征PD在兩個(gè)線(xiàn)對之間具有獨立不同的特征。802.3bt標準通過(guò)新添加的連接檢查（Connection Check）使區分功能能來(lái)識別單特征或雙特征PD連接之間的差異。

雙特征PD將需要兩個(gè)并行的PD接口，因為在此拓撲中需要兩個(gè)不同的線(xiàn)對集。每個(gè)PSE的電力在每個(gè)PD接口之后匯集。這是個(gè)成本更高的方案。設計人員可能會(huì )選擇成本低一半的單特征方案?？紤]具有雙重特征的監視攝像機，其中一個(gè)線(xiàn)對與攝像機相連，另一個(gè)線(xiàn)對與加熱器或云臺 / 變焦電機相連。

對于來(lái)自PSE的每個(gè)數據對，PD端通常也需要一個(gè)變壓器（對于GB以太網(wǎng)，請參見(jiàn)圖1，其中Vpd,B可能是10 / 100Base-T），一個(gè)有源橋式整流器，一個(gè)802.3bt PD接口控制器和一個(gè)DC - DC轉換器。肖特基二極管、電阻器和電容器也可理解為PD附加組件的可能部分。

圖2顯示，Type 4,Class 8可能消耗的最大功率為71.3W。PSE最低電壓為52 V，最差的支持通道電阻為6.25 ohm，1.73 A的電流將流經(jīng)電纜。

PD端的潛在問(wèn)題以及設計人員可能的方案 / 緩解措施

IEEE 802.3bt標準指出“PD在與電纜的物理連接點(diǎn)指定。未指定特性如電壓校正電路、電源效率低下造成的損耗，內部電路與外部接地之間的分離或PI連接器之后電路引起的其他特性等。除非特別說(shuō)明，否則PD定義的限制指定在PI上，而不是在PD內部的任何點(diǎn)上。

以下是設計人員應該考慮的一些領(lǐng)域，以建立一個(gè)真正強固的設計架構：

1）注意由于PSE和PD之間的通道中的其他設備（二極管，變壓器等）引起的電流不平衡（請參見(jiàn)圖3）。只要設計人員意識到這種不平衡，就可以采用創(chuàng )造性的方法來(lái)減輕這種不平衡。這將取決于設計架構。一些可靠的規則是使用良好的接地平面以及承載大電流的寬接地回路。

2）以太網(wǎng)電纜中的線(xiàn)對線(xiàn)間電流不平衡：這里的問(wèn)題是電纜供應商很少測試或給設計人員提供線(xiàn)對線(xiàn)不平衡規范，他們通常只指定線(xiàn)對內的不平衡。

3）當心電纜發(fā)熱：通常會(huì )有大量電纜發(fā)熱，但設計人員需要保持溫升控制。IEEE工作組設定限值應小于10攝氏度的溫升。他們采用300 mA電流流過(guò)所有電纜導線(xiàn)，就像在不失衡的情況下，為每100 m電纜的末端傳送51 W功率。設計人員可以嘗試一些方案，例如使用較低電阻的電纜來(lái)減少I(mǎi)2R損耗，在每個(gè)線(xiàn)束中使用較少的電纜或僅在電纜束中進(jìn)行部分供電。

確定任何給定電纜的功耗（發(fā)熱）的正確方法是使用恒定功率吸收器作為負載，并使用電壓源作為輸入電源2。

一些電纜發(fā)熱研究會(huì )測試2.0 A時(shí)的電纜束。因此，如果使用24AWG電纜，則電纜功率密度將為164 mW / m。功率密度是每單位長(cháng)度電纜消耗的功率，因此：

164 mW / m =((2.0A)²x 4.09 ohms)/100m)

Rch基于24 AWG固態(tài)銅在20oC的電阻率

4）輸送到PD的功率（PD是恒定功率負載）與PSE功率輸出之間存在非線(xiàn)性關(guān)系。PD的功率需求各不相同。PD需要更多的電流意味著(zhù)電纜中的壓降更高，并有IR損耗。PD獲得的電壓低于所需電壓，因此需要更多電流。事實(shí)證明，在較低電流下使用較高的PD電壓可穩定此效果。為安全起見(jiàn)，請將PSE電壓限制為不超過(guò)57 V。

圖4 通道是24 AWG UTP，負載是恒定的2.0A（圖片由參考文獻2提供）

測試PD

如果制造商有演示板或參考設計，請始終將其用于您的應用。這些板是使用適當的布線(xiàn)和接地技術(shù)精心創(chuàng )建的，以提供最佳的架構性能。通?？梢詮闹圃焐烫帿@得工藝的Gerber文件。請在設計中使用它們。這些方法將免去對最終設計進(jìn)行大量測試。

對于設計的生產(chǎn)測試以及在實(shí)際系統中的測試，有一些很好的方案，如Reach Technology的 PoE5 100 W PoE測試儀 或Reach Technology的 RT-PoE5 IEEE 802.3bt以太網(wǎng)供電PSE生產(chǎn)測試儀 。新罕布什爾大學(xué) 互操作性實(shí)驗室 是唯一用于測試PoE認證的第三方測試機構。Sifos Technologies擁有用于IEEE 802.3bt PoE的新的緊湊的PowerSync分析儀，將有助于進(jìn)行4線(xiàn)對測試。以上方案將有助于確保強固的系統。

總結

本文旨在介紹POE和IEEE802.3bt。希望讀者能了解PD和PSE的定義，以及它們在提供適當信號和功率傳輸方面的優(yōu)勢和局限性，并更好地理解該標準及其在PoE系統中的改進(jìn)能力。

本文的重點(diǎn)正如本文所強調的，IEEE 802.3bt標準支持設計人員向PD提供更高的功率以及更多通用的能源選擇。

本文還提供了為什么在無(wú)線(xiàn)世界中進(jìn)行有線(xiàn)連接可以增強安全性、提高可預測性和可靠性的原因。廣泛的現有有線(xiàn)基礎設施已部署到位，其環(huán)境干擾遠低于無(wú)線(xiàn)環(huán)境，系統成本更低且QoS更高。

本文還向讀者介紹了設計802.3bt PD時(shí)要考慮的一些重要點(diǎn)，以避免潛在的缺陷，從而使最終設計的系統穩定可靠。

最后，為了更好地設計802.3bt PD，向設計人員演示了適當的測試方法，并提供了鏈接和參考文獻。

參考文獻

1 IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt?-2018 (Amendment to IEEE Std 802.3?-2018 as amended by IEEE Std 802.3cb?-2018)

2 Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017