为工业 LED 智能照明开发合适的以太网供电系统

以太网供电 (PoE) 提供了便捷实用的方法，可通过同一根电缆提供网络连接和电源。但是，随着它的演进，设计人员必须设法解决诸多问题，例如前向和后向兼容性、配置选择、电缆选择，以及选择合适的接口 IC。

这些 IC 不仅必须具备核心 PoE 功能，设计人员还必须确认它们具有最新功能，从而确保安全的功率输送。

在兼容性方面，无论是升级现有的以太网有线网络，还是设计新的 PoE 系统，设计人员都必须选择 802.3af 或 802.3at 这两个现有标准中的一个；或是选择 802.3bt 草案标准。虽然选择的标准可能是基于项目预算或所需功率大小，但在设计时，最为明智的做法就是既考虑未来的容量要求，同时又确保它具备后向兼容性。

设计人员还必须确定哪一种 PoE 配置适合目标系统。在为使用老式以太网电缆的现有网络添加 PoE 时，配置选项可能受限。

在选择使用何种电缆方面，标准和拓扑的选择以及环境都发挥着关键作用。选用错误的电缆可能会限制系统的功率，并且妨碍未来的扩展。

本文将回顾 PoE 的基础知识及其演进历程。然后，将介绍设计人员可用来解决诸多问题的解决方案，最后还将探讨使用智能照明的 PoE 应用。

PoE 的演进

PoE 可通过同一根 CAT5e 电缆提供电源和 100/1000Base-T 以太网通信，进而简化连接。其对以太网双绞线通信不会有丝毫影响。但对于开发人员而言，这样可以节省设计时间和额外布线成本。PoE 还具有电源集中化这一优点，因此可以轻松管理所有以太网节点的电源。这样一来，还可为所有连接系统提供易于管理的备用电源。

随着 PoE 应用扩展，IEEE 标准委员会推出了更高版本的全新电源标准，从原有的 2003 IEEE 802.3af 标准升级到 2009 802.3at 标准（也称为 PoE plus），在两种标准中，端口提供的功率分别为 15 瓦特和 25 瓦特。最新的更新版本 802.3bt PoE 预期将于 2018 年推出，每个端口可提供最高 100 瓦特的功率。

请注意，所有标准都保持与前几代 PoE 标准的后向兼容性。由于效率至关重要，PoE 标准还指定了通过 CAT5e 屏蔽双绞线电缆传输过程中可以损耗的功率。

PoE 电缆考虑因素

在 PoE 系统中，可对 CAT5 电缆施加 48 伏特的差分电压。该电压可施加于传输以太网数据的数据对，而且不会干扰数据通信。另外还有一种情况，CAT5e 电缆上会有两条备用双绞线，因此可对该双绞线施加 48 伏特电压，以简化电源系统。对于工厂或建筑应用，工业 CAT5e 电缆是首选，因为它们能够耐受恶劣环境和不当使用，例如摔门、拉伸或弯曲。

CAT5e 电缆的一个典型例子是 Panduit Corp 的 ISTPHCH5MRD 模块化 CAT5e 以太网电缆。（图 1）。它有四条双绞线，且其设计符合现有的 IEEE 802.3af/at PoE 标准，包括最大程度减少由于远距离传输而导致的功率损耗。这些 CAT5e 电缆能够阻燃、耐受溶剂以及承受扭曲、夹挤和其他严重不当使用，因而非常适合条件恶劣的工业应用。

图 1：Panduit ISTPHCH5MRD CAT5e 工业级以太网电缆的横截面显示了四条 24 AWG 铜线双绞线。该电缆配有重泡沫绝缘胶带，因此能够防止夹挤。（图片来源：Panduit Corp.）

PoE 功率输送配置

PoE 系统的一端是以太网连接的起点，通常为交换机或集线器。而另一端，电缆则会端接需要以太网连接和电源的设备。所有这些设备都称为用电设备 (PD)。

在 PoE 中，供电设备 (PSE) 会对以太网电缆施加所需的 48 伏特差分电压。如果 PSE 位于以太网交换机或集线器中，则根据 IEEE 标准，其被称为“端点 PSE”。IEEE 标准为端点 PSE 提供了两种备选配置，以为电缆供电。在备选方案 A 中，PSE 在传输以太网数据的两条双绞线两端施加差分电压。在使用仅有两条屏蔽双绞线的 CAT5 电缆时，这是唯一的选项。

在备选方案 B 中，PSE 会在两条备用双绞线两端施加电压。对于 CAT5e 和其他带有四条双绞线的电缆，这是首选的方法。

如果电缆被截断，则 PSE 会在交换机/集线器与 PD 之间的位置施加电压，这种情况被称为中跨 PSE。这种配置也支持按照备选方案 A（电力通过以太网数据双绞线传输）和备选方案 B（电力通过两条备用双绞线传输）供电。

PoE 硬件类型

这些 PoE 供电方法与现有 PoE 标准 802.3af/at 相同。IEEE 802.3bt 草案标准实施后，将能通过所有四条双绞线供电，并兼容 10G-Base-T 标准（图 2）。

PSE 和 PD PoE 设备根据以下类型进行分类：

• 类型 1 利用两条双绞线上的电压，兼容 802.3af 标准，15 瓦特
• 类型 2 利用两条双绞线上的电压，兼容 802.3at 标准，30 瓦特
• 类型 3 利用四条双绞线上的电压，兼容 802.3bt 草案标准，60 瓦特
• 类型 4 利用四条双绞线上的电压，兼容 802.3bt 草案标准，100 瓦特

图 2：802.3af/at 标准的两端点 PSE 配置和中跨 PSE 配置。建议将端点 PSE 备选方案 A 用于使用 CAT5e 电缆的新系统，而中跨 PSE 可以更容易地为现有系统添加 PoE。中跨 PSE 也支持备选方案 A。（图片来源：IEEE 802.3at 规格）

PoE 握手

当 PSE 检测到带 PD 的新网络连接时，将在 PSE 和 PD 之间发起短握手协议。对于 PSE 而言，这次握手首先要确定设备是否确实为 PD，而且需要电源。然后，PSE 必须确定 PD 需要多大的功率。从 PD 的角度来看，这次握手将确定 PSE 能够提供多大的功率。最终，通过这次握手，PSE 能够安全地为 PD 供电，如果 PSE 检测到 PD 已断开连接，还可以安全地停止供电。

在握手过程中，PD 在 PSE 电压下保持特定的电阻，称为检测签名电阻，可用于限制电压脉冲过程中的涌流。基于涌流，PSE 将根据其功率要求，将 PD 分类为上文所述的类型 1 - 4。但是，当 PSE 检测到 PD 上的新电流消耗时，它将向 PD 发送电压脉冲，以再次确定 PD 需要多大的功率。

PD 接口

对于构建新 PD 的开发人员而言，PoE 接口必须是可升级，或者可兼容新的 802.3bt 草案标准，而且仍然后向兼容以前的标准。PD 接口 IC 的灵活性至关重要，Texas Instruments 的 TP2372 高功率 PoE PD 接口即可提供这种灵活性（图 3）。

图 3：用于智能照明应用的 TPS2372 的推荐电路，包含配置 MPS 电流的外部电阻 (R_MPS)、MPS 占空比 (R_{MPS_DUTY})、检测签名 (R_DET)。（图片来源：Texas Instruments）

TP2372 符合现有的 IEEE 802.3bt 草案标准，并且可后向兼容 802.3af/at 标准。对于设计兼容所有 PoE 系统的照明 PD 的工程师而言，TP2372 的一大重要特性是它能够限制输入电流。如果 PD 连接到某个系统，但其中的 PSE 没有进行任何限流，则这种特性非常重要。

例如，在最初的部分 PoE 工业照明系统中，使用了一些老式的中跨 PSE 设备，没有任何限流保护。此外，有些早期 PSE 会在没有握手的情况下，在电缆上施加电压，因此需要 PD 进行限流。TPS2372 中的限流让 PD 能够安全连接到几乎所有 PSE。

TPS2372 是完全可配置的，即可使用外部电阻来实现各种特性，例如 MPS 电流和占空比、PoE 类型类别。请注意，可以手动设置配置，也可启用自动设置进行配置。TPS2372 还能处理与 PSE 的所有握手，基于 PSE 的类型，自动协商 MPS 电流和占空比。

为了便于开发，TI 的 TPS2372-4EVM-006 评估板也为 TPS2372 提供支持，该评估板支持高功率 802.3bt PoE 应用以及现有的 802.3af/at 标准。

TPS2372-4EVM-006 评估板带有跳线，可用来配置 PD 参数，例如 MPS 占空比和 PoE 类型。它拥有两个以太网连接器，其中额外的连接器用于千兆位以太网数据直通。

在使用 TPS2372 的设计布局中，务必要最大程度地减少潜在信号、EMI/ESD 和功率干扰。为此：

• 从 RJ-45 连接器到以太网变压器、TVS 二极管、0.1 微法拉 (µF) 电容器和 C_BULK 的电源和地面走线应该尽可能短，并与数据分离。
• 在从电源到用电设备的路径上，应该使用宽电源走线、成对信号和返回走线。不要让任何信号从功率流的一端穿越到另一端。
• TPS2372 应该放置在印刷电路板（PC 板）上，位于分割局部地平面上，其中，PoE 的那一半部分以 V_SS 为基准，而转换器的那一半部分以 RTN 为基准。
• 不要将逻辑接地或电源走线布置在以太网输入或初级 DC/DC 转换器下方。
• 使用安全的布线程序，例如 IEC60950 中指定的程序，将 48 伏特输入电压与 DC/DC 转换器输入相隔离。若覆铜区域和走线用于耗电的 SMT 器件以及位于 RJ-45 连接器下方，则应该使用较大的覆铜区域和走线。

PoE 应用：智能照明

现代化的建筑物和工厂非常重视能效。日光灯管照明曾经在这些应用中占据主导地位，但它们很容易升级为高输出低功耗的 LED 照明。相对于日光灯和白炽灯照明，LED 具有明显的优势。最重要的是 LED 照明的能效要高得多，在特定的输入功率下能发出更多光。LED 照明的发热量非常小，也不需要对于日光灯而言必不可少的镇流器。

随着 LED 的使用，每件灯具的功耗均有所降低，而 PoE 这种布线方案的使用也越来越普遍，它既能提供足够的电能来驱动 LED 照明，又能提供远程物联网 (IoT) 智能连接。

智能照明意味着可以远程打开和关闭照明系统，可以按照程序设定的时间表予以打开和关闭，或者在传感器检测到占位时打开和关闭。

在实施中，单个以太网端点可能连接到多个照明节点。例如，从交换机或集线器，将单个命令发送到包含八个照明节点的单个基于以太网的设备，可命令这些节点仅打开第四个灯和第七个灯，而关闭其他灯。

PoE 系统必须连接到采用适当 LED 的灯具，包括在输出（以流明为单位）、色温（以开尔文为单位）和功耗等方面。LED 制造商 Wurth Electronics 推出了面向工业照明和一般室内照明的产品系列。

例如，158301250 冷白光 5000K LED 的尺寸仅为 3 mm x 1.4 mm，但每瓦特功率能够发出 133 流明的光，因而具有极高的能效，特别适用于基于 PoE 的工业照明应用。对于定制照明，可以根据特定系统要求，将多个 LED 灯焊接到单个板上。

图 4：Wurth Electronics 的 158301250 LED 采用了 PLCC 封装，可在任何配置中进行表面贴装。（图片来源：Wurth Electronics）

在 LED 采用 PoE 进行照明的情况下，不仅要降低每个 PD 的工作电流，还要减少 PoE 待机电流，这一点非常重要。如果确定 PD 上的建筑照明灯必须关闭，则现有的 PoE 标准要求每个 PD（也就是 MPS）必须向 PSE 发出请求，在占空比为 20% 的情况下，电流消耗为 10 mA。MPS 告知 PSE：该 PD 仍处于连接状态。因而平均 MPS 电流消耗为 2 mA。

新的 802.3bt 草案标准规定 MPS 占空比应降低到 1.875%，进而使平均 MPS 电流消耗减少十倍，达到 0.2 mA。

总结

PoE 可以极大地简化办公室或工业应用中的智能照明系统的实施。选择合适的电缆能够确保可靠的功率输送，而定制照明应用则适合使用高效率 LED。正确地选择 PD 零件，可让设备具备可升级性和后向兼容性，从而构建安全可靠的系统，在智能网络配置中持续多年高效工作。