以太网供电 (PoE) - 新版 IEEE 802.3bt 标准助推物联网应用技术发展

许多文章和博客都谈到了以太网供电 (PoE) 技术及其概念。例如，Digi-Key 的文章《以太网供电简介》。

如今的物联网 (IoT) 已经通过互联网实现了一切（“事物”）的全球互连、控制和监视，本文将重点介绍并分析最新 IEEE 802.3bt 标准能为物联网带来的新功能。

IEEE 802.3bt 改进点

首先，802.3bt 标准做出的最重要改进是能够向边缘设备（用电设备，下称 PD）传输更大的功率——71.3 W，供电设备 (PSE) 侧则可输出 90 W 功率。

其次，该标准支持联网设备通过 Cat5e 电缆实现高达 10 Gbps 的传输率。

在功率输送和信号传输速度方面的这两项改进，使无数新物联网设备，尤其是工业物联网 (IIoT) 高耗电的高速设备，都可以通过 PoE 技术来供电。以下是这些新应用的一些实例：

• 专业音响
• 电子标牌
• 5G 小型蜂窝无线电单元（移动基础设施：3G、4G、5G 技术）
• 802.11ac 无线接入点 (WAP)
• 高吞吐量无线局域网 (WLAN)
• 工业访问控制
• 照明
• 智能家居
• 楼宇/工厂自动化
• 收银机 (POS) 终端
• 信息自助服务终端
• 带加热器的室外 IP 摄像头
• 监控器/笔记本电脑
• 数字天花板照明

IEEE 802.3bt 的新功能

相比之前的 802.3at 标准，新版 PoE IEEE 802.3bt 标准定义了多项新功能和改进，从而提高能效、实现节能；因此能够让更多边缘设备使用上 PoE 技术。

原则上，物联网平台由四个构件组成：

• 感测/监控
• 处理 (MCU)
• 连接（无线或有线）
• 电源管理

IEEE 802.3bt 标准的新功能/改进有利于改善上述物联网应用的电源管理模块。其中四个新功能/改进包括低维持功率特征 (MPS)、自动分类、PD 的单/双特征以及增加 PD 供电功率，具体将在下文中进一步讨论。

低维持功率特征 (MPS) - MPS 是能维持 PD 正常工作且不被 PSE（供电设备，下称 PSE）断开的最低功耗。当 MPS 信号缺失至少 400 ms 后，PSE 必须断电以确保断开连接的电缆不会一直带电。

另外，物联网应用中几乎所有 PD 都有低功耗或休眠模式。为了保持供电，这些 PD 的电流消耗往往更高，因而与低功耗待机模式的概念背道而驰。低 MPS 通过降低占空比并缩短为保持电源连接而必须生成功率特征的时长来解决这一问题。这一修改可将最小待机功率降至原来的 1/10，使物联网边缘设备能够通过 PoE 供电，并提供可接受的待机功率。

在 LED 照明等大量设备使用 PoE 的物联网应用中，降低待机功率至关重要。

自动分类 - 自动分类允许 PSE 将电源预算分配给需要进一步优化的 PD。简而言之，PSE 在整个定义时间内“测量”以太网电缆损耗和所连接 PD 的功耗，以“了解”向此 PD 传输的“实际”功率，而不是按 PD 类别定义传输更大的“指定”功率。这就允许同一 PSE 为多个 PD 供电，因此可以使用更多的物联网边缘设备。

PD 的单/双特征 - IEEE 802.3bt 标准支持两种 PD 结构：单特征 PD 和双特征 PD。PSE 必须同时支持单特征和双特征 PD。

双特征设备能够让应用实现与单特征设备相同的最大功率水平，同时因为能够实现不同的独立负载配置，从而提供了更多灵活性。例如，有一种室外监控摄像头，需要连同加热器或冷却风扇一起供电，以便控制极端温度条件。再如，某些带冗余电路的工业物联网应用，为了提高可靠性和安全性而采用交替供电而非同时供电。

双/单特征概念如图 1 所示。

图 1：单/双特征概念（图片来源：Microchip）

以太网联盟 (EA) 网站上提供了关于 IEEE 802.3bt 双特征 PD 的更多技术信息。

增加 PD 供电功率 – 根据 IEEE 802.3bt 标准的定义，PSE 设备可输出的最大功率为 90 W，PD 设备可接受的最大功率为 71.3 W。按照该以太网标准的定义，从 PSE 至 PD 的功率减少考虑了最长 100 米电缆中 19 W 的最大功率损耗。在新版 IEEE 802.3bt 标准中，PD 可测量电缆电阻，计算电缆损耗的功率，并提供足够的功率以补偿 100 米电缆耗散“浪费”的 19 W 最大功率。如果 PD 至 PSE 的距离不足 100 米，则可向 PD 提供超过 71.3 W 的功率。例如，如果电缆长度在 2 - 5 米范围内，则 PD 可接受的功率几乎等于 PSE 输出的 90 W。

IEEE 802.3bt 功率效率改进

虽然 802.3bt 标准未明确定义，但是临近该标准获批之际，多家行业领先的 PoE IC 供应商本着提高功率管理效率、满足物联网应用要求的宗旨，即已改进了自己的芯片设计，以便解决功率效率问题。

图 2：PoE 模块拓扑（图片来源：Microchip）

查看图 2 之前，需要先确定 PSE 和 PD 的功能。

对于 PSE，功能要求可简单总结如下：

• 检测有效 PD
• 分类 PD 的功率容量
• 在 44 V 至 57 V 电压下，向 PD 提供 4 W 至 90 W 功率
• 执行功率优化和分配
• 必要时，执行故障监控和断开连接
• 如果检测到电流不足情况，则切断相应端口的电源
• 提供过压保护
• 提供开关电路隔离

同样，PD 的功能总结如下：

• 提供极性保护
• 提供特征以进行检测和正确分类
• 执行功率优化
• 提供隔离
• 提供可选偏压，以用于 DC/DC 启动
• 将 57 V 转换为应用所需的稳压供电电压

如图 2 所示，PSE 输出的功率经以太网电缆传输到 PD。然后，PD 的二极管桥接芯片对电缆电压进行整流。在 2 线对 PoE 系统中，可通过数据线对或备用线对来传输电压，但不可兼用。在 IEEE 802.3bt 定义的 4 线对 PoE 系统中，所有线对都可用于供电。

因此，这类 PD 内需要有两个电桥（图 3）。

图 3：PD 内有两个电桥（图片来源：Analog Devices/Linear Tech）

传统的二极管电桥解决方案有多个缺点：

• 电缆电压降造成较大的功率损耗
• 发热量大
• 需要额外考量散热设计

由于上述缺点，即使许多物联网应用可以使用传统二极管电桥，也会面临严重的问题。

比二极管电桥更有效的解决方案是 IdealBridge^™，最先由 Microsemi（现在是 Microchip）推出。该解决方案是基于 N 沟道 MOSFET 的电桥，配有控制器。

图 4 显示了两个传统二极管电桥与单个 IdealBridge 之间的差别。

图 4：两个传统二极管电桥与单个 IdealBridge™（图片来源：Microchip）

IdealBridge 的优势包括：

• 全集成式解决方案，缩小了 BOM——节约了 PCB 空间，简化了实现
• 用于 MOSFET 的自驱动电路
• 低 R_DS(ON)，低功耗
• 功率效率最大化——提供更高的输出功率和电压
• 显著减少发热，消除散热设计问题，无需增加散热器
• 适用于 2 线对和 4 线对 PoE 应用
• 可与 IEEE 802.3xx 标准兼容

Microsemi/Microchip 推出了首个使用 PD70224 的 "IdealBridge™" 解决方案。其他供应商提供的类似解决方案包括 Analog Devices/Linear Tech 的 LT4321、ON Semiconductor 的 FDMQ8205A 单通道理想二极管（不是电桥），以及 STMicroelectronics 的 PM8805 集成解决方案（将 IdealBridge 集成到 PD IC 芯片中）。

总结

最新 IEEE 802.3bt 标准为 PoE 技术增加了新功能，并改进了现有功能。这些功能扩大了可使用 PoE 概念连接的边缘设备的范围，因而支持许多新型物联网应用。

为了支持非 PoE 基础设施，有多种中间解决方案可供使用，例如中跨/供电器和功率分配器。然而，请务必注意 IEEE 802.3bt 是一个相对较新的标准，在该标准于 2018 年年底获得批准之前，许多供应商就已推出了这方面的产品。为了充分发挥 IEEE 802.3bt 新功能的优势，保持各个供应商之间的互配性，各种元器件和产品必须符合 IEEE 802.3bt 标准，并应在规格书中明确说明。