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如何通过单对以太网重新定义以太网供电

Published Date
Author Fanny Hu

发布于2022-07-28

以太网供电 (PoE) 顾名思义就是通过传输以太网数据的同一根电缆传输大量的电力。它能为可远程访问的联网设备提供所需的功率，并发挥以太网连接的优势。这种同时传输电力/数据的功能使之非常适用物联网 (IoT) 应用，如传感器和HVAC控制器、楼宇安防系统（摄像头、电梯、消防面板、智能锁和出入口）以及基本办公功能（增强的区域照明，甚至基本的语音电话）。

PoE越来越受到智能楼宇和工业自动化工程师的关注并被用于设计中，主要基于以下三点原因：

  • 1、随着第三代标准的正式批准，PoE可以提供约100W的功率，以支持广泛的应用、外围设备和负载。
  • 2、PoE单对以太网 (SPE) 标准的批准意味着PoE不再需要昂贵的多对电缆和一些脆弱的连接器，从安装、性能和成本方面来看，都堪称智能楼宇和工业应用的理想之选。
  • 3、元器件供应商引入了所需的集成电路和无源元件，并提供了经验证的参考设计和嵌入式固件，以便原始设备制造商能够设计和制造所需的PoE接口系统和电路。

PoE并非唯一通过一根电线或电缆同时传输电力和数据的技术，类似的组合方式在其他环境中已存在很久了。例如，USB通过复杂的信令、握手和排序机制，即可传输数据，又能提供直流电源。因此，新一代USB总线能够在提供高数据传输的同时，为负载提供更大的功率。

在数字化技术出现之前，工程师们研发了一种称为“幻象电源”的技术，通过使用将音频信号传回主放大器的同一根电缆，为各类麦克风中内置的前置放大器供电。类似地，我们还可以借助同一根同轴电缆，在为室外小孔径碟形天线上的低噪声模块 (LNB) 射频前置放大器提供直流电的同时，将增强的射频信号送回系统射频前端。

在智能楼宇和工业应用中使用PoE有哪些好处呢？ PoE可以降低布线成本和复杂性；减少所需的“网络”数量（一个用于数据，一个用于电源）；传输安全的低电压（标称48VDC）；不需要电工安装或必须满足高压接线的建筑规范，并且简化了与住宅或商业楼宇或工厂中广泛分布的设备连接。因此，堪称安装本地AC/DC电源及交流线、单独使用电池或仅运行额外直流电源的理想之选。

PoE标准

PoE作为以太网连接和电力传输链路的主要依据是电气电子工程师协会 (IEEE) 定义的标准。第一个PoE标准IEEE 802.3af，只能支持约15W的功率。几年后，命名为PoE+的第二代IEEE 802.3at标准，将支持的功率提升到25W。而在新版标准IEEE 802.3bt（也称为PoE++）中，可支持的功率更是达到了90W。

每一次升级都需要为多对电缆（Cat 3、Cat 5、Cat 5e或Cat 6 A）、相关RJ-45连接器及其接线提供更复杂的类型与电缆对布置。这三种PoE标准向上兼容，因此低功率连接和负载可用于高功率电缆和连接；但不支持电源/连接器向下兼容。

最近批准用于SPE的PoE标准IEEE 802.3cg-2019 (IEC 63171-6) 更适合智能楼宇应用， 这不仅可以大大简化并降低布线和连接器成本，还能支持高达10Mbps的数据速率，是许多分散或偏远地区应用场合的理想选择。

PoE：复杂的内部结构

可以说，从单根铜缆获得双重负载是一个很好的想法。但还需要在不破坏或减缓数据传输的同时，确保PoE系统的完整性和性能，以防其中一个供电设备出现问题、故障甚至短路。在铜缆的一端施加直流电，另一端连接用电设备，需要极其复杂的配置，尤其是这一操作还必须对连接和断开PoE设备的用户透明。

运行PoE需要三个基本组件：

  • 向电缆输送电力的设备，通常称为供电设备或PSE。PSE有两种形式，即“端跨”（PoE交换机）或位于以太网电缆上靠近负载端的“中跨”（PoE电源注入器）。
  • 从电缆接收电力的设备，即用电设备或PD。典型的PD示例为IP摄像头、无线接入点、照明装置、安全设备和HVAC控制器。
  • 标识为“CAT-X”的多种型号电缆，以支持不同的PoE标准。

PSE通常是指支持PoE的网络交换机或中跨电源注入器，通过插接为非PoE网络交换机通道或类似通道添加PoE功能（图1）。

图1：PoE网络交换机可以通过数据电缆向用电设备（如IP摄像头）供电；中跨PSE可用于向标准网络交换机通道添加PoE功能。（图源：Veracity/UK）

上图只是一个概览。PoE系统需要借助PSE内的大量电路（集成电路和无源元件）以及合适的CAT电缆，以便将其作为“即插即用”设备插入支持PoE的用电设备并正常工作。该电路必须先将提供的直流电源与PSE处的以太网数据信号集成起来，然后再将其分离以供PD使用（图2）。

图2：除了物理层IC (PHY) 外，PoE链路还需要相当多的支持电路，包括在PSE处组合数据和电力并在PD处将其分离的变压器，以及将交流电源整流到所需直流轨的电桥。（图源：Veracity/UK）

PD和PSE之间需要一个复杂的反复识别、查询和响应协议来启动、管理和维护PoE链路。因此，需要许多状态图和时序图来充分描述许多正常的操作顺序，并适应所有“异常”但可能发生的情况。这些序列会向PSE和PD反馈系统状态、其自身状态、PD需要及PSE可以提供的功率，并检查越界情况。

PD的状态和功率需求必须放在较大的PoE系统环境中进行考量。因此，PoE规范还引入了一些更先进的功能，以提高效率、可靠性和安全性，“分类”就是其中一项功能。作为启动过程的一部分，当进行PoE连接时，PD可以“公布”其功率等级，以确保PSE能够提供其运行所需的功率。我们将功率划分为五个等级，但对于设备来说，只能分为三个不同的功率等级（表1）。由于电缆存在不可避免的I2R功率损耗，PSE在每种等级中可以提供的功率与PD需要的运行功率之间存在一定的差异。

表1：PSE和PD按等级划分的功率限制（图源：Veracity/UK）

幸运的是，现在有了可以嵌入和实现PoE的集成电路，因此PoE系统设计人员不需要深入了解其运行细节。这些集成电路可以管理电源流向、排序、协议以及其他需要执行和监测的事项，以实现高效可靠的PoE电源和数据链路。

例如，Analog Devices推出的ADIN1110，这是一款用于工业以太网应用的超低功耗、单端口10BASE-T1L收发器（图3）。该器件符合IEEE 802.3cg-2019以太网标准，适用于远距离10Mbps单对以太网 (SPE)， 可用于部署在楼宇、工厂和过程自动化中的边缘节点传感器和现场仪器。该集成电路通过1.8V或3.3V单电源轨工作，并采用40引脚6 mm×6 mm引线框架型芯片级封装 (LFCSP)。

图3：Analog Devices ADIN1110 MAC-PHY符合IEEE 802.3cg-2019以太网标准，适合远距离、10Mbps单对以太网，并可用于边缘节点传感器和现场仪器。（图源：Analog Devices）

SPE的优势

SPE能够更好的满足智能楼宇应用需求，为实现PoE系统提供了新的选择。与传统以太网和各种CAT电缆相比，SPE更具优势。此系统包含更薄、成本更低的电缆和连接器，易于管理和拉动，减少了空间需求和重量，弯曲半径更小，便于在狭窄区域安装，并减少了铜和绝缘材料等资源的使用。

SPE的设计目的不是取代现有的以太网基础设施。目前，SPE的最大速度为10Mbps（较长距离）到1Gbit/s（较短距离），支持的传输距离仅为40米。而八线以太网却能以10Gbps及以上的速度传输100米（图4）。

图4：SPE大大降低了以太网布线BOM和安装成本，但同时也降低了最大可用吞吐量和数据速率。（图源：HARTING）

[注：SPE最初是为了满足汽车行业的需求而开发的，即需要更小、更轻的电缆和连接器来传输自适应巡航控制、停车辅助、自动驾驶和其他车载系统中的众多传感器数据。较低的数据速率、严格的约束和较短的汽车应用距离非常适合早期的SPE开发目的。]

与各用户端口均需连接中央交换机的传统以太网不同，SPE采用菊花链拓扑结构。对于传统以太网来说，增加端口数可能需要更大的交换机，但最大延迟（端口和交换机之间的时间延迟和数据的不确定性）是有限的，并且是预知的。

相反，菊花链拓扑可以轻松进行扩展以满足更多端口需求，但延迟也会相应地增加，尤其是对于距离较远的端口和设备来说（图5）。然而，从典型SPE应用可以看出，菊花链拓扑导致的延迟增加并不会造成影响，而在连通性方面的表现却异常出色。通过这种拓扑结构轻松将链路扩展到新端口的能力非常适合SPE目标应用。

图5：“传统”以太网要求每个端口直接连接到交换机（右图），但SPE允许通过菊花链方式连接和扩展新端口。（图源：Texas Instruments）

SPE并没有为汽车、智能楼宇和工业等应用指定结构相同的单一解决方案。相反，它是一种基础技术，我们可以通过它选择和集成不同的元件组合，以创建优化的数据线供电 (PoDL) 解决方案。此外，还可以为不同的应用选择具有不同传输速度、链路长度和拓扑的SPE协议， 即由10BASE-T1S、10BASE-T1L、100BASE-T1和1000BASE-T1标准定义的不同SPE版本。

坚固、低成本的连接器选项是SPE备受青睐的另一原因。例如，用于楼宇布线的HARTING T1连接器具有IEC 63171-1定义的SPE插接面（图6）。这些连接器的MICE额定值（机械稳定性、防护等级、耐候性和电磁稳定性）为M1I1C1E1，适合于办公楼环境。

图6：SPE连接器对实现了双线标准支持的简单、坚固型连接。（图源：HARTING）

PoE BOM清单

要实现PoE需要的不仅仅是复杂的集成电路和各类连接器，还需要多种无源元件。出乎料的是，PoE需要用到变压器——最“古老”的电气元件之一。变压器将高频以太网数据信号叠加到同一根电缆上，在PSE端注入PoE直流电源（通常为48VDC），而PD端的互补变压器将以太网数据与直流电源分离，并将电源引导到PD电路。

如Bourns的SM13143EL, 一款双端口LAN 10/100/1000 Base-T PoE++变压器，适用于所有类型的以太网应用（图7)）。它包含八个1:1变压器，满足所有相关额定值需求，占板面积约为11×28mm，高8mm。

图7：该多通道变压器为八对PoE电缆提供关键隔离和耦合。（图源：Bourns）

变压器在耦合电源和信号时，还会提供电气隔离，因此端口问题或故障不会引起网络发生涟漪效应。这可能包括PD故障，甚至是恶意行为，如有人用回形针将连接器短路。

PoE标准和良好的工程实践也要求防止雷电或附近电机启动/停止引起的线路浪涌。所以，需要一种独立于PSE或PD内其他类型保护装置的外部保护装置，如Laird Connectivity的ESP-100-POE网络雷电/浪涌保护器（图8）。

 

图8：PoE标准还要求保护系统和电路免受雷电和其他电压浪涌的影响；此RJ-45连接器单元可满足需求。（图源：Laird Connectivity）

此屏蔽型全金属外壳RJ-45连接器拥有出色的EMI噪声抑制能力，集成安装脚可以安装在金属底盘上，以提供适当的防护；作为替代方案，提供了一条接地线，可以将其连接到需要单点接地的系统地引脚。这些器件与100Mbps数据和48V PoE系统兼容，对所有八个PoE引脚提供保护（数据引脚1、2、3和6上的7.5V钳位，PoE引脚4、5、7和8上的70V钳位）。

结语

实现PoE设计并为PoE提供PSE或PD电路是一个非常复杂的操作。然而有了丰富的元件及其他支持，智能楼宇和工业应用得以充分利用PoE的优势。PoE由于采用电压较低的单一数据/电力电缆而节省了布线成本，非专业人士也能轻松安装。对于分散的低吞吐量应用，我们可以借助SPE更好的利用PoE的诸多优势，以及新的拓扑和连接器选择。

作者简介

Bill Schweber是贸泽电子撰稿人，也是一名电子工程师。他撰写了三本关于电子通信系统的教科书，以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中，他曾担任多个EE Times子网站的网站管理员以及EDN的执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司（模拟与混合信号IC的知名供应商）负责营销传播工作，因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验，既能向媒体展示公司产品、故事和信息，也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的MarCom职位之前，Bill曾是一份备受尊敬的技术期刊的副主编，并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前，他曾在英斯特朗公司 (Instron Corp.) 实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位，是注册专业工程师，并持有高级业余无线电执照。他还规划、编写并演示了各种工程主题的在线课程，包括MOSFET基础知识、ADC选择和驱动LED。