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一根数据线,你还想让它实现多少功能?

2020-09-18 11:59
安富利Avnet
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今天人们对于一根数据线的要求,除了能够支持更高的传输速率,还需要能够承担起电能输送的职责,在这方面我们最熟悉的一个例子就是USB,目前USB-PD协议可承载最高100W的功率传输。

这种“数据+电源”的混合传输的好处显而易见,它能够让我们摆脱烦人的电源线,用一根线缆就可以满足两个需求,给用户带来更大的自由度。不过USB传输的距离有限,通常也就是1-2米以内,如果你希望在一个更大范围的局域网中实现这种“数据+电源”的混合传输体验,就需要以太网供电(PoE)技术来帮忙了。

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实际上PoE的基本思路与USB-PD是相同的,它们都是在传输数据的同时,利用空闲线路或信号线路为终端接入设备供电。只要我们稍微打开一点脑洞,就不难想象出PoE的典型应用,比如楼宇自动化中的视频监控、智能照明等,想添加一个新的节点设备,只需要预留一个RJ-45以太网口就行了,而无需专门布设市电网络,这给用户带来的价值是显而易见的。

PoE标准的升级之路

正是因为“很有用”,所以人们就开始琢磨如何让其“商用”,而大规模商用一个重要的前提就是要将这个技术标准化,于是有了IEEE 802.3这个定义了PoE各项技术规范的标准,由此也解决了不同设备间兼容性的问题。

正如其他技术标准一样,IEEE 802.3也在不断的进化中根据市场需求的变化为自己增添新的技能。

第一代PoE的标准IEEE 802. 3af是在2003年发布的,基于当时人们对PoE应用场景的认识,这一版标准给PoE的定位就是:可以让PSE设备(集成在路由器、交换机和集线器中)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。15W这样的功率水平,以今天的视角来看,确实有些保守。

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很快,随着越来越多样的设备接入到以太网中,人们逐渐感觉到“电不够用了”。于是2009年发布的第二代PoE标准IEEE 802.3at,就将提升供电功率作为了一个主要的升级目标。这个被称为PoE+的标准果然不负众望,将PoE支持的最大功率提升到了30W(通过CAT-5或更高级别线缆提供)。

市场在持续发展中,一个有生命力的标准也不会原地踏步。2018年9月,第三版(也是最新一版)的PoE标准IEEE 802.3bt正式发布。通过深度挖潜,IEEE 802.3bt尝试在以太网电缆的8根导线(4对导线)上都加载电压,充分利用了网线的功率承载能力,将PoE可以传输的最大功率提升到90W。这个功率水平,基本上可以满足如今大多数中功率电子产品的要求了,也让PoE可以覆盖的应用领域大为扩展。

而且在最新的IEEE 802.3bt中,还增加了一个名为Autoclass的新特性。顾名思义,Autoclass实际上是一种自动检测PD用电设备的实际功率消耗,并对其进行功率分级的机制,PSE供电设备可以根据PD的实际耗电要求按需提供电能,通过更精确的控制实现更高的效率。与此同时,IEEE 802.3bt还增加了两种PoE设备类型(Type 3和Type 4)以及4种功率等级的定义,这实际上都有助于PoE在增加产品覆盖的同时,实现更为智能的控制,让PoE拥有更高的功率水平的同时(所谓“更高能”),也变得“更智能”。鉴于IEEE 802.3bt这种全面的能力提升,人们也将其称为“PoE++”

新标准的新方案

新标准的落地,必须有与之配套的产品和方案的支撑,PoE++也不例外。伴随着PoE++自身能提升,其应用范围也还在进一步扩展(特别是在PD用电设备端),新的解决方案必须考虑得更为周全和长远。

在PoE系统中,PSE和PD设备之间供电通道的建立,是通过一个握手协议来实现的,这个协议将在检测、分级、供电、维护这样一个完整的过程中负责两者之间的通信和控制。与之对应的PoE协议管理,是通过一颗PD控制器芯片来完成的,而想要实现PoE++这个新标准,也就需要有全新的PD控制器来支持。

在符合PoE++的PD控制器研发方面,安森美半导体是动作比较快的一家。在2019年9月,他们推出了符合PoE++标准的PD控制器

NCP1095和NCP1096,这两颗料不仅支持新标准的规范要求,包括新增的Autoclass能量管理特性,还向后兼容原有标准,同时还支持将功率扩展到100 W,可以满足一些特定应用的要求。

除了需要通过全新的PD控制器“读懂”新协议,随着功率的提高,高能效设计的挑战也更为突出。这也就需要为PoE++的产品中引入一些新的解决方案。

比如在PoE应用中,有时候PSE设备会配备不间断电源(UPS),这时在PD端就需要用一个桥接电路来调节输入电源的极性。以往简单的二极管桥接设计是最普遍的方法,它提供了一个可靠而低成本的方案。但是随着PD所需功率的增加,正向压降引起的二极管桥的导电损耗就成了一个必须考虑的问题。对此,安森美半导体给出的新方案就是使用GreenBridge四通道MOSFET替代二极管桥,来降低桥路的功率损耗。

以符合PoE++标准的GreenBridge器件FDMQ8205为例,其中包含两个N沟道和两个P沟道 100V级 MOSFET,以及所有必要的门极驱动器,无需外部电路来驱动或保护,同时具有更低的RDS(on)。与传统的二极管桥方案相比,基于 FDMQ8205 的PoE方案的功耗可降低10倍,而整体系统尺寸仅有传统方案的1/4。

随着人们对最新PoE标准的认知,未来也会有越来越多的新方案出现,最终为PoE++的成熟商用铺平道路。尽管如今在物联网市场,无线通信仍然是最吸睛的存在,但是基于以太网的互联应用依然有很坚实的市场基础,PoE的发展无疑会为这些有线互联应用提供一个有力的支点。面对这样的市场机遇,你是不是也有兴趣来尝试一下呢?

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