以太網供電 (PoE) 自 2003 年推出以來，其功率輸送能力已從原來的 15.4 瓦激增到 30 瓦，但設計人員在應用中仍需要更大功率。對 PoE 規(guī)范的新修訂 IEEE 802.3bt 支持最高 60 瓦的電源（某些應用中最高達 90 瓦），以此來應對上述需求。
該修訂已于 2018 年底獲得批準。現在，第一批商用集成供電設備 (PSE) 控制器和用電設備 (PD) 接口已經上市，使得設計工程師可以運用所謂的“大功率 PoE”。
本文首先說明 IEEE 802.3bt 與先前版本 PoE 的不同之處，然后介紹 Microsemi、Texas Instruments (TI)、Linear Technology 和 Nexperia 的集成 PSE 控制器和 PD 接口。本文描述了應用這些器件來構建系統的最佳方法，涉及電路保護、設計和布局要求等重要考慮因素。
什么是 IEEE 802.3bt？
原始標準 (IEEE 802.3af) 規(guī)定電源功率最高為 15.4 瓦，尚能滿足 IP 電話和 Wi-Fi 接入點等應用，但對于 IP 視頻電話或云臺控制 (PTZ) 攝像頭等新興應用而言，就遠遠不夠了。2009 年的規(guī)范修訂 (IEEE 802.3at) 規(guī)定電源功率為 30 瓦，從而解決了這個問題。近年來，為了支持以太網連接應用，例如收銀機 (POS) 終端、IEEE 802.11ac 接入點和聯網 LED 照明，對功率的需求已提升到更高程度。
為了滿足對更大功率的需求，全新的 IEEE 802.3bt（大功率 PoE）對先前的 PoE 和 PoE+ 規(guī)范做了修訂，提高了 PSE 最小輸出功率和 PD 最小輸入功率。主要變化是可以通過 Cat5e 以太網電纜的所有四對雙絞線進行功率傳輸。PoE 和 PoE+ 僅使用兩對雙絞線：“方案 A”應用中的數據線或“方案 B”應用中的備用線。（參見 Digi-Key 文庫“以太網供電簡介”。）
新規(guī)范還引入了“3 型”和“4 型” PSE 和 PD（最大功率分別為 60 瓦和 90 瓦），并為輸出和輸入功率增加了新類別 (5-8)（表 1）。設計人員應注意，修訂旨在符合 ISO/IEC 60950 對有限電源和安全超低電壓 (SELV) 的要求，即規(guī)定每個端口的最大功率為 100 瓦。
| 類型標準PSE 最小輸出功率PD 最小輸入功率電纜類別電纜長度供電線1 型IEEE802.3af15.4 W12.95 WCat5e100 m2 對2 型IEEE802.3at30 W25.5 WCat5e100 m2 對3 型IEEE802.3bt60 W51 W 至 60 WCat5e100 m2 對 0-4 類4 對 0-4 類4 對 5-6 類4 型IEEE802.3bt90 W71 W 至 90 WCat5e100 m4 對 7-8 類1.如果已知通道長度，擴展功率允許 PD 輸入功率最高達到 60 W（3 型）和 90 W（4 型）。 |
表 1：大功率 PoE (IEEE 802.3bt) 與 PoE (IEEE 802.3af) 和 PoE+ (IEEE 802.3at) 的比較。IEEE 802.3bt 引入了更高的功率、新類型的 PSE 和 PD 以及新類別。（表格來源：Microsemi）
IEEE 802.3bt 帶來的增強功能
除了可為大功率 PoE 提供更大功率，該規(guī)范還引入了其他功能。主要增強功能包括：
自動分類功能
支持低待機功耗
通道（電纜）長度已知時，可提升功率能力
自動分類是大功率 PoE 特有的新分類機制（可選），允許 PD 將有效最大功耗傳輸給 PSE，使 PSE 能夠設置功率預算以精確匹配所需功率（加上針對通道損耗的儲備功率和“安全”裕量），從而提高系統效率。
為了給有嚴格待機需求的應用供電，大功率 PoE 的最小脈沖電流持續(xù)時間發(fā)生了相當大的變化，最小脈沖電流持續(xù)時間主要用于確保 PSE 維持功率。以前，1 型和 2 型 PD 使用“維持功率特征”(MPS)，即 10 毫安 (mA) 的脈沖電流每 325 毫秒 (ms) 至少要持續(xù) 75 ms，交流阻抗應低于 26.3 千歐 (kΩ)，且并聯 0.05 微法 (μF) 的電容。IEEE 802.3bt 規(guī)范帶來的變化（適用于 3 型和 4 型 PSE）導致脈沖持續(xù)時間縮減為 1 型和 2 型 PSE 的 10%。
擴展功率功能是另一個重要變化。PD 測量電纜電阻并計算功率損耗，從而得出確保規(guī)范所述 PD 最小輸入功率所需的儲備功率。在最壞情況下，可能等于先前修訂所規(guī)定的儲備功率，但在實際應用中，儲備功率可能較低，從而節(jié)省能源。
大功率 PoE 啟動
引入新增的四類 PSE 輸出功率（5 至 8 類）和相應的 PD 輸入功率，以及兩種新類型（3 型和 4 型）PSE 和 PD，使得該技術的啟動順序更加復雜。這會影響開發(fā)人員對大功率 PoE 系統的設計和 PSE 控制器的選擇。
通常，符合 IEEE 802.3af 或 IEEE 802.3at 的設備稱為 1 型（0-3 類）或 2 型（4 類）設備。符合 IEEE 802.3bt 的設備稱為 3 型（5、6 類）或 4 型（7、8 類）設備。大功率 PoE 定義了一種方法，讓 PSE 通過電纜安全地為 PD 供電，而在 PD 電纜斷開連接時關閉電源。
IEEE 802.3bt 還具有涌流和時間限制，確保任何類型或類別的 PSE 與 PD 相互兼容。0 至 4 類的涌流限值為 400 至 450 mA，5 至 6 類為 400 mA 至 900 mA，7 至 8 類為 800 mA 至 900 mA。上電后，PSE 涌流限值適用的最長時間為 75 ms，此后，2 型、3 型或 4 型 PSE 根據所屬分類支持更高的輸出電流。
大功率 PoE 啟動過程從 PSE 關閉電源開始，同時會檢查是否有設備接入。然后，PSE 對 PD 進行分類，繼而提供 PD 要求的功率；如果 PSE 沒有足夠的容量來充分滿足 PD 需求，則提供最大功率。3 型和 4 型 PSE 還有第四種工作狀態(tài)，即檢查 PD 是否在每對雙絞線上都具有相同的分類特征。
自動分類是一個可選特性，不是所有符合大功率 PoE 標準的 PSE 和 PD 都支持，因此如果該功能是所開發(fā)系統規(guī)格的一部分，那么就需要查看規(guī)格書。Microsemi 的 PD70210ILD-TR 前端 PD 接口控制器就是一款通過“增強型分類模塊”支持該功能的產品。PD70210ILD-TR 還能識別四對雙絞線中的哪些真正接收功率，并生成相應的標志（圖 1）。
圖 1：Microsemi 的 PD70210ILD-TR 前端 PD 接口控制器包含一個增強型分類模塊，可簡化對大功率 PoE 引入的新類別和 PD 類型的分類。該芯片還能通過 SUPP_S1 和 SUPP_S2 引腳識別四對雙絞線中的哪些真正接受供電。（圖片來源：Microsemi）
PSE 的自動分類首先檢查 PD 是否支持該功能，方法是檢查類別電流，經短暫延遲后降至 0 類電流水平。如果支持，PSE 便在上電后立即進行自動分類測量，在接下來的 1.35 至 3.65 秒內達到 PD 所需的最大功率。一旦啟動，PD 必須輸出 MPS 以讓 PSE 確信連接仍未斷開。MPS 丟失會觸發(fā) PSE 關閉電源（圖 2）。
圖 2：由于引入了新的 PSE 和 PD 類別與類型，大功率 PoE 的啟動過程比以前的版本更復雜。如圖所示為該過程的三個主要階段（檢測、分類和運行）以及相應的輸入電壓。（圖片來源：Texas Instruments）
符合大功率 PoE 規(guī)范的新型控制器
自從 PoE 獲得批準以來，集成 PSE 控制器和 PD 接口便為開發(fā)人員的設計帶來了極大的便利。IEEE 802.3bt 也沿襲了之前的理念。制造商相繼推出了符合規(guī)范草案要求的產品，除了上述的 Microsemi 器件之外，市場上還有其他幾種 PSE 控制器和 PD 接口。
例如，Linear Technology 推出了 LTC4291-1/LTC4292 芯片組。這組元器件旨在共同構成 3 型或 4 型 PSE 控制器。電源管理功能包括每端口 14 位電流監(jiān)控、可編程限流功能和預選端口的多功能關斷。PD 檢測采用專有的多點檢測機制，有助于避免 PD 誤識別。該芯片組支持自動分類，并通過引腳或 I2C 編程，為 PD 提供的最大功率為 71.3 瓦。
LTC4291-1/LTC4292 芯片組以高度集成而著稱，幾乎包含符合 IEEE 802.3bt 標準的 PSE 設計所需的所有電路，只需添加幾個外設即可實現相應功能。該器件分為兩個芯片（處理器和電源），LTC4291-1 可以放置在非隔離側，從而簡化 PSE 隔離。它可以從主邏輯電源接受供電，并直接連接到 I2C/SMBus 總線。該芯片組采用專有的隔離方案進行芯片間通信，使用低成本變壓器取代了光隔離器和隔離電源。變壓器為 10base-T 或 10/100base-T 單元，匝數比為 1:1，帶有共模扼流圈（圖 3）。
圖 3：Linear Technology 的 LTC4291-1/LTC4292 四端口 IEEE 802.3bt PoE PSE 控制器實現了專有隔離，使用低成本變壓器取代光隔離器和隔離電源以簡化設計。（圖片來源：Linear Technology）
為了充分利用大功率 PoE，PD 需要 3 型或 4 型接口，否則 PSE 將僅提供 IEEE 802.3af 定義的最大功率 15.4 瓦（PD 輸入為 12.95 瓦）。此接口可以選擇 TI 的 TPS2372-4RGWT，它具有 IEEE 802.3bt 規(guī)定的 1 型到 4 型 PD 接口的全部功能。
內部開關電阻低，使得 TPS2372-3 和 TPS2372-4 能夠分別支持高達 60 瓦和 90 瓦的大功率 PoE 應用，自動 MPS 功能則支持需要超低功耗待機模式的應用。請注意，IEEE 802.3bt 對 PD MPS 的要求適用于電纜的 PSE 端。這意味著根據電纜長度和大容量電容等其他參數，可能需要較長的 MPS 持續(xù)時間用于驗證。為此，TPS2372 提供三種不同的 MPS 脈沖持續(xù)時間和占空比，這可通過 MPS_DUTY 輸入引腳來選擇。
TPS2372 的涌流水平滿足所有 PSE 類型。該芯片還實現了延遲功能，允許 PSE 先完成涌流階段，再以電源良好 (PG) 輸出供電，確保符合 IEEE 802.3bt 啟動要求。通過芯片的輸入自動分類功能，可以實現 IEEE 802.3bt 標準規(guī)定的所有高級系統功率優(yōu)化模式。
大功率 PoE 入門
使用 LTC4291-1/LTC4292 之類的高度集成芯片組時，芯片供應商已經解決了很多具挑戰(zhàn)性的設計問題，但設計人員仍需要仔細選擇外部元器件，并遵從印刷電路板布局指南。其中很多都遵循 PoE 系統通用設計指南，但元器件的選擇應與大功率 PoE 引入的高電壓和電流水平相稱。
例如，圖 3 所示的 VDD 和 VEE 分別需接入數字電源和 PoE 主電源。VDD 需要接入 3.3 伏，VEE 需要接入 -51 至 -57 伏（3 型 PSE）或 -53 至 -57 伏（4 型 PSE）的負電壓。VDD 與 DGND 之間應接入至少 0.1 μF 的陶瓷去耦電容，并盡可能靠近各 LTC4291-1。為保持所需的隔離，不得將 LTC4292 AGNDP 與 LTC4291-1 DGND 連接。
VEE 是為 PD 供電的 PoE 主隔離電源。由于提供的功率相對較大并且易受大電流瞬變的影響，因此與簡單的邏輯電源相比，設計時需要予以更多考慮。為了獲得最佳系統效率，應將 VEE 設置為接近最大幅度 (57 V)，留下的裕量足夠應付瞬態(tài)過沖或欠沖、溫度漂移、線路調節(jié)即可。AGNDP 與 VEE 之間需要接入至少 47 μF 的大容量電解電容器，以便在發(fā)生電氣瞬變時能最大限度地減少虛假復位。
外部 MOSFET 的選擇是開發(fā)人員的另一項關鍵設計決策。該 MOSFET 是構成控制 PSE 輸出的功率開關器件。元器件的選擇對系統可靠性有重要影響，要求設計人員針對各種 PSE 限流條件分析和測試 MOSFET 安全工作區(qū) (SOA)。Linear Technology 推薦 PSE 使用 Nexperia 的 PSMN075-100MSEX，配置可為 PD 提供的最大功率為 51 瓦，或者使用 PSMN040-100MSEX，為 PD 提供 71.3 瓦功率。這些 MOSFET 在 PoE 應用中的可靠性已得到驗證。
LTC4291-1/LTC4292 芯片組針對每通道 0.15 Ω 電流檢測電阻而設計。因而，開發(fā)人員必須并聯兩個 0.3 Ω 的電阻器，如圖 4 所示。為了符合大功率 PoE 規(guī)范，檢測電阻的容差必須為 ±1% 或更小，并且溫度系數不超過 ±200 百萬分率/攝氏度 (ppm/℃)。
圖 4：如圖所示為 LTC4292 所需的頂層和底層檢測電阻模塊布局。為了符合大功率 PoE 規(guī)范，檢測電阻 (RSTx) 的選擇和布局至關重要。（圖片來源：Linear Technology）
每個端口的 OUTnA 和 OUTnB 與 AGNDP 之間都需要接入 0.22 μF 電容器（見圖 3），以便在啟動或過載需要限流的情況下，使 LTC4292 保持穩(wěn)定。建議使用額定電壓至少為 100 V 的 X7R 陶瓷電容器，并且必須靠近 LTC4292 放置。
以太網端口易受大電流瞬變的影響。PoE 系統的綜合浪涌保護是一個需要單獨撰文來討論的復雜主題，但最低要求是需要接入大容量的電壓抑制器，如瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管（TVS BULK）和大容量電容器 (CBULK)，以將每個端口的浪涌電流和浪涌電壓抑制在安全水平（圖 5）。在電源 AGND 與 LTC4292 AGNDP 引腳之間還需要接入 10 Ω 的串聯電阻器 (R1)。在 LTC4292 AGNDP 引腳與 VEE 引腳之間應接入 58 伏 TVS 二極管 (D1) 和 1 μF、100 伏旁路電容 (C1)，電容器應靠近 LTC4292 引腳放置。最后，每個端口需要接入一對 S1B 鉗位二極管：一個接在 OUTnM 與電源 AGND 之間；另一個接在 OUTnM 與電源 VEE 之間。這就將所有電氣瞬變導入電源軌中，最后由浪涌抑制器吸收。
圖 5：PSE 控制器需要防范電氣瞬變。如圖所示為 Linear Technology 的 LTC4292 及必需的電壓/電流抑制器和元器件，以將瞬變導離敏感芯片。（圖片來源：Linear Technology）
TI 的 TPS2327 等芯片的高度集成同樣簡化了 PD 接口開發(fā)工作，但也需要加設一些外部元器件（圖 6）。
例如，PD 接口的電纜輸入端需要接入二極管。對于 TPS2327，TI 建議在大功率 PoE 應用中，使用額定值為 3 至 5 安、100 伏的分立或橋式肖特基二極管，而不要使用普通二極管，因為肖特基二極管會使耗散功率降低 30%。開發(fā)人員需要考慮的一點是，肖特基二極管通常比普通 PN 結二極管具有更高的反向漏電電流，因此難以滿足規(guī)范中定義的 2.8 伏最大反饋電壓。為了補償，應使用普通二極管工作溫度限制和低漏電器件來實現。與普通二極管相比，肖特基二極管更容易受電氣瞬變的影響，因此建議采用由鐵氧體磁珠和電容器構成的電壓/電流保護。
IEEE 802.3bt 規(guī)范規(guī)定在 VDD 至 VSS 之間接入 0.05 至 0.12 μF 的輸入旁路電容器（通常為 0.1 μF、100 V、±10% 陶瓷電容器）。規(guī)范還要求接入檢測電阻 RDEN、分類電阻 RCLSA 和 RCLSB 以及 MPS 電阻 RMPS。RDEN 建議使用 24.9 kΩ、±1% 的電阻器。分類電阻接在 CLSA 和 CLSB 與 VSS 之間，根據 IEEE 802.3bt 標準設置分類電流。電阻器的值和分配的功率類別由 PD 在運行期間消耗的最大平均功率決定。RMPS 設置 MPS 占空比；例如，1.3 kΩ 電阻器將占空比設置為 26.4%。MPS_DUTY 短接到 RSS 時，設置的占空比為 12.5%。
大功率 PoE PD 接口還需要在電源線上接入 TVS 二極管和大容量電容器（D1、CBULK）作為電壓抑制器，以吸收電纜這一端的電氣瞬變。
圖 6：TI 的 TPS2372 大功率 PoE PD 接口應用示意圖顯示了完成設計所需的外設元器件，主要是輸入二極管、抑制器件及檢測、分類、MPS 電阻。（圖片來源：Texas Instruments）
許多設計指南可以確保印刷電路板布局、元器件布置和布線要求符合 IEEE 802.3bt 規(guī)范對參數測量精度、系統穩(wěn)健性和散熱方面的要求。Linear Technology 和 TI 均為各自的 PSE/PD 接口提供了符合規(guī)范的參考設計。對開發(fā)人員而言，這些參考設計是很有用的指南。
總結
大功率 PoE 擴展了 PoE 的應用并提高了效率。但是，由于引入更多 PSE 控制器和 PD 接口類型與類別，以及其他操作和安全特性，也增加了實施的復雜性。
集成 PSE 控制器和 PD 接口解決方案將這些功能以標配的形式提供，使設計人員受益匪淺。這些方案減少了系統所需的外設元器件數量，從而大大簡化并加速設計過程。
