PoE以太网供电标准又双叒升级了，你的PD控制器选好了吗？

由 cathy 提交于周三, 20 十一月 2019 - 14:36

尽管这些年各种无线互连技术在物联网领域攻城略地，出尽了风头，但是在很多应用场景中，有线互联组网仍然不可替代。特别是以太网技术，凭借其可靠、安全、高速和成本优势，在视频监控、智能照明、楼宇控制等领域一直占据着重要的地位。

不过，以太网想要延伸到更多的应用中，实现“无处不在”的目标，有个关键的问题必须解决，那就是联网设备的供电。与电池供电设备相比，通过以太网联网的设备通常所需功率都较高，它们如果都通过110V/220V交流市电去取电，仅电源系统布线的成本就不是一个小数目。

随着以太网的发展，人们自然而然的会考虑是否可以利用以太网现有的空闲线路或信号线路去为终端接入设备供电？这样一来，以太网在进行高速信号传输的同时，还能提供直流电源，用户只需将设备通过RJ-45接口接入以太网，即可实现“一网两用”。这个概念就是以太网供电（PoE，Power over Ethernet）。

PoE标准进化史

PoE的想法固然好，但是想要成为一个可以大面积商用的技术，特别是要解决不同设备间兼容性的问题，就必须有标准的加持。IEEE 802.3就是这个定义了PoE各项技术规范的标准，它明确定义了PoE供电设备（PSE）和受电设备（PD）的特性和交互关系。在过去的十多年间，IEEE 802.3标准已经历经的三个版本的更迭，而贯穿其发展的一条主线，就是“不断提升的供电功率”。

802. 3af（PoE）

第一代PoE的标准是2003年发布的IEEE 802. 3af，基于这一版标准，位于路由器、交换机和集线器的PSE设备可以通过以太网电缆向IP电话等PD设备提供不超过15W的直流功率。

802.3at（PoE+）

而随着以太网接入设备的多样化，15W的功率很快就遇到了“天花板”，这也就催生了第二代的PoE标准IEEE 802.3at。这个2009年发布的标准规定可以通过CAT-5或更高级别线缆提供最大约30W的功率，这个标准也被大家简称为PoE+。

802.3bt（PoE++）

在不断发展的市场需求推动下，经过近十年的酝酿，2018年9月第三版的PoE标准IEEE 802.3bt获得批准。由于在以太网电缆的8根导线（4对导线）上都加载了电压，新标准充分利用了网线的功率承载能力，将最大功率提升到90W。而且IEEE 802.3bt增加了两种PoE设备类型（Type 3和Tyep 4）以及4种功率等级的定义，支持的PoE应用更为丰富；Autoclass等新特性，让供电的精确性和效率也上了一个台阶。虽然这一PoE新标准还未正式命名，但鉴于这些显著增强的“能力”，人们习惯性地将其称为“PoE++”。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-11/wen_zhang_/100046139-84746-2.pn…; alt=“” width="600"></center><center>图1，IEEE 802.3bt标准系统原理框图（来源：网络）</center>

更智能的控制

如果我们仔细观察IEEE 802.3bt，会发现新标准对未来PoE应用开发的价值，不仅体现在功率范围的提升，还在于更丰富而细致的功率分级，可以为不同功率要求的垂直应用按需供电，确保可用能量和数据传输带宽的最大化，在能效方面也会有更佳的表现。简言之，新标准可让PoE实现更为智能化的管理。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-11/wen_zhang_/100046139-84747-3.pn…; alt=“” width="600"></center><center>表1，PoE标准中功率等级定义</center>

PoE系统中，电力传输通过PSE和PD之间的握手协议来管理——PSE会检测PD是否支持PoE及其设备类型、所属的功率等级，并根据这些信息为PD提供所需的电力。

一个典型的PoE协议过程包括四个部分：

1、检测：PSE设备通过端口发出一个低电压脉冲，以检测网络中接入的受电设备（PD）是否符合IEEE802.3标准要求。

2、分级：当PSE确认PD符合要求后，PSE会将输出电压进一步提高，用一个探测电压来确认PD的功率等级——通常PD设备会在线路中串联一个分级电阻，来标识自己的功率，PSE通过测试返回特征电流的大小来确定PD设备的功率等级。

3、供电：经过上述的“对话”之后，PSE会向PD输出满足其所需的直流电。

4、维护：PSE会实时监测供电功率，进行断路检测和单端口过载检测：当PD超载或短路后，PSE供电会中断并重新开始检测过程；如果PD的连接断开或关闭，PSE会停止为其供电。

上述PoE协议的管理，是通过一颗专门的PD控制器芯片来完成的，而IEEE 802.3bt新标准的实现，自然少不了符合新标准的PD控制器来支持。

符合新标准的PD控制器

为了满足IEEE 802.3bt新标准的需要，安森美半导体今年9月推出了最新的PoE-PD控制器<a href="https://www.mouser.cn/new/on-semiconductor/onsemi-ncp1095-ncp1096-poe-p…和NCP1096</a>，它们不仅支持新标准的所有规范要求，还向后兼容原有标准，同时支持将功率扩展到100 W，用于一些特定的电信和数字标牌应用。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-11/wen_zhang_/100046139-84748-4.pn…; alt=“” ></center><center>图2，安森美推出符合IEEE 802.3bt的PoE-PD控制器（来源：安森美半导体）</center>

NCP1095和NCP1096还支持IEEE 802.3bt新增的Autoclass能量管理特性，让PD能够将其特定的功率需求传递给PSE，以实现PoE系统更精准的控制。当NCP1095或NCP1096的Autoclass功能被激活时， PSE开始向PD供电，系统将在1.35秒内达到其功率等级规定最大的功率水平，并将这个最大的负载功率保持至少3.65秒，在这个过程中PSE将检测PD的实际功率消耗，并据此向PD分配相应的功率。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-11/wen_zhang_/100046139-84749-5.pn…; alt=“” width="600"></center><center>图3，Autoclass工作过程（来源：安森美半导体）</center>

此外，为了进一步提升集成度和系统功效，NCP1096还集成了N通道MOSFET负载开关，可在辅助电源为PD供电时改善功效表现。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-11/wen_zhang_/100046139-84750-6.pn…; alt=“” width="600"></center><center>图4，NCP1095系统框图（来源：安森美半导体）</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-11/wen_zhang_/100046139-84751-7.pn…; alt=“” width="600"></center><center></center>

其他PoE-PD控制器需要的特性，NCP1095和NCP1096在产品定义中也考虑得很周全。其主要的性能特点归纳如下：

<ul>
<li>
完全符合IEEE 802.3bt、IEEE 802.3af和IEEE 802.3at标准
</li>
<li>
保证PoE设备之间的互操作性
</li>
<li>
最多支持5事件物理层分类
</li>
<li>
分配功率高达90W
</li>
<li>
采用内部71mΩ传输晶体管，支持大功率应用
</li>
<li>
连接辅助电源时，有源电桥和热插拔FET功能禁用，从而提高了功效（仅限NCP1096）
</li>
<li>
支持Autoclass操作
</li>
<li>
浪涌电流限制：135mA（典型值）
</li>
<li>
开漏电源良好指示器
</li>
<li>
支持简短的MPS
</li>
<li>
支持开关禁用输入以进行后辅助电源操作
</li>
<li>
专有的100W+应用
</li>
<li>
过流保护
</li>
<li>
过热保护
</li>
<li>
结温范围：-40°C至+125°C
</li>
<li>
封装类型：TSSOP-16
</li>
<li>
无铅，符合RoHS指令
</li>
</ul>

完整的方案

当然，为了快速响应最新的PoE标准，在市场中占据领跑位置，安森美半导体除了PD控制器，还配以DC-DC控制器、MOSFET等产品形成了一整套IEEE 802.3bt解决方案。该方案可有效替代传统的PoE应用中的二极管桥方案，实现更大的功率（标准90W，专用100W）和更高的能效。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-11/wen_zhang_/100046139-84752-8.pn…; alt=“” width="600"></center><center>图6，基于NCP1096的IEEE 802.3bt以太网供电完整解决方案（来源：安森美半导体）</center>

安森美半导体802.3bt PoE方案核心元器件

<ul>
<li>
<a href="https://www.mouser.cn/new/on-semiconductor/onsemi-ncp1095-ncp1096-poe-p…; target="_blank" data-linktype="2">NCP1095或NCP1096</a> PD控制器 
</li>
<li>
<a href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/ON-Semiconductor/NCP1566MNTXG?qs=%2…; target="_blank" data-linktype="2">NCP1566</a> DC-DC控制器
</li>
<li>
<a href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/ON-Semiconductor-Fairchild/FDMC8622…; target="_blank" data-linktype="2">FDMC8622</a>单MOSFET、<a href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/ON-Semiconductor-Fairchild/FDMQ8203…; target="_blank" data-linktype="2">FDMQ8203</a>和<a href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/ON-Semiconductor-Fairchild/FDMQ8205…; target="_blank" data-linktype="2">FDMQ8205A</a> GreenBridge™四通道MOSFET
</li>
</ul>

根据IHS Markit的分析，2017年到2022年间，以太网供电市场将保持14%的年复合增长率，可以说是当今功率半导体发展最快的市场之一。IEEE 802.3bt这一PoE新标准的出台，会让更多基于以太网的物联网应用成为可能，令联网设备的功能得以加强。

不想错过这场功率半导体的盛宴？安森美半导体符合IEEE 802.3bt标准的PD控制器，及其完整解决方案，是一个不错的选择！贸泽电子也会持续将来自业界知名厂商的新技术和方案呈现在你面前。

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