PoE技術(shù)超越IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)

隨著IEEE80 2.3at(大功率標(biāo)準(zhǔn))的問(wèn)世，以太網(wǎng)供電(PoE)功能正迅速成為主流技術(shù)，應(yīng)用于眾多新產(chǎn)品之中。支持PoE的產(chǎn)品為用戶提供極低的安裝復(fù)雜度和高度的系統(tǒng)靈活性。新的PoE產(chǎn)品如今可以支持功率電平遠(yuǎn)高于現(xiàn)有IEEE80 2.3af/t標(biāo)準(zhǔn)的供電，擴(kuò)大了具備PoE功能的產(chǎn)品/設(shè)備數(shù)量。

PoE市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

在相同導(dǎo)體上融合數(shù)據(jù)和電能似乎已成為智能系統(tǒng)集成的明確選擇。在汽車(chē)、航空和工業(yè)應(yīng)用中，專(zhuān)有標(biāo)準(zhǔn)使用了幾十年。而IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，催生了支持新概念的低成本、高數(shù)據(jù)率協(xié)定。原有的IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)支持為負(fù)載提供高達(dá)13.4W的功率，幫助推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)定(IP)電話及其它類(lèi)似數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)在企業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用擴(kuò)展。這些早一代的設(shè)備在外形和功能方面目標(biāo)明確且直接。

數(shù)據(jù)設(shè)備用戶的期望已經(jīng)不僅是豐富特性集和高性能，還包括物理外形在造型方面有著同樣高的表現(xiàn)，通常要省去墻插式電源變壓器及其在特征上平淡無(wú)奇的電力線。這種性能的提高不可避免地導(dǎo)致能耗升高。IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)(2009年發(fā)布，也稱(chēng)PoE+)旨在應(yīng)對(duì)能耗需求的增高，但隨著市場(chǎng)演變，標(biāo)準(zhǔn)正趨向滯后于前沿的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

諸如家用/商用自動(dòng)化面板、上網(wǎng)本和低耗電膝上型電腦等新產(chǎn)品的能耗要求可與PoE IEEE802.3 at標(biāo)準(zhǔn)的供電能力相適應(yīng)。在概念上，這表示接插座(docking station)能夠接受單個(gè)RJ45連接器的外形。在家用及商用自動(dòng)化面板中，集成PoE的優(yōu)勢(shì)非常明顯，因?yàn)闊o(wú)需配接不同的電力線。這類(lèi)特殊設(shè)計(jì)領(lǐng)域的局限是除了以太網(wǎng)線纜以外，還須支持PoE的路由器或交換機(jī)。由于整合方便，大多數(shù)家庭及小企業(yè)主已采用無(wú)線連接，企業(yè)自然會(huì)提倡集成PoE，因此，安裝簡(jiǎn)單而輕松，耗費(fèi)人工極少。

許多公眾場(chǎng)合開(kāi)始出現(xiàn)了信息站(information kiosk)，常用于接受訂單、銷(xiāo)售點(diǎn)(POS)終端機(jī)、旅行或客戶服務(wù)。這類(lèi)信息設(shè)備對(duì)IEEE802.3af/t標(biāo)準(zhǔn)的功率限制帶來(lái)挑戰(zhàn)，諸如平板顯示器、打印機(jī)和計(jì)算平臺(tái)增加了大額功率預(yù)算。雖然許多精細(xì)設(shè)計(jì)的信息站能以25W之內(nèi)(使用備用線對(duì)時(shí)為50W)的功率工作，但更高性能的設(shè)備需要更高的功耗。隨著該技術(shù)進(jìn)一步獲得市場(chǎng)接受，支持PoE功能的信息端/站將大幅增加。

無(wú)線設(shè)計(jì)域是PoE增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)。接入點(diǎn)(WiFi、WiMax等)都必須連接至路由器、交換機(jī)或主網(wǎng)絡(luò)連接。IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)支持提供的額外功率使所有這些設(shè)備都能整合PoE，讓無(wú)線接入點(diǎn)的安裝或服務(wù)變得極為簡(jiǎn)單，僅要求插入單個(gè)RJ45連接頭。

無(wú)線設(shè)計(jì)最新的細(xì)分增長(zhǎng)市場(chǎng)是小型移動(dòng)接入點(diǎn)，它們也被稱(chēng)作毫微微蜂窩基站(femto cell)或微微蜂窩基站(pico cell)，在非傳統(tǒng)區(qū)域提供移動(dòng)接入。這個(gè)概念的大功率版本最初用于為大型樓宇提供更好的信號(hào)覆蓋，如今正用于在人口稠密區(qū)替代大型移動(dòng)基站。這將大幅簡(jiǎn)化安裝，并提供在物理尺寸上更具吸引力的連接方案。小區(qū)域移動(dòng)基站的能耗頗高，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有PoE標(biāo)準(zhǔn)支持的25W。

超越IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)

PoE的基本功率限制很容易理解。加在以太網(wǎng)線纜上的最大電壓限制，公認(rèn)為超過(guò)60V就很危險(xiǎn)。大多數(shù)地方性及全國(guó)性電氣法規(guī)對(duì)于導(dǎo)體承載升高的電壓都制定了嚴(yán)格的規(guī)則和指引。因此，為了務(wù)實(shí)起見(jiàn)，用電設(shè)備(PD)節(jié)點(diǎn)提供的電壓為57V。對(duì)于給定系統(tǒng)元件而言，由于平方關(guān)系及功率耗散(P=I2R)，電流是能效損耗的主要原因。

如果要增大提供給節(jié)點(diǎn)的總功率，分析顯示必須首先減小串聯(lián)電阻，還必須顧及整個(gè)PoE系統(tǒng)的熱性能。大多數(shù)(慶幸不是全部)PoE器件僅符合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)溫度要求；而如果超過(guò)了PoE標(biāo)準(zhǔn)制定的供電限制，PoE器件可能只提供邊際性能， 甚至?xí)艿娇捎脡勖s短的影響，結(jié)果可能就是方案變得更復(fù)雜一些。

PoE電子設(shè)備必須使用戶能夠外部配置內(nèi)嵌電流限制，并且需要采用在溫度升高時(shí)能支持長(zhǎng)期工作且性能不降低的技術(shù)來(lái)制造。大多數(shù)PoE用電設(shè)備(PoE-PD)及PoE電源設(shè)備(PoE-PSE)產(chǎn)品支持限流配置，但其中僅有少數(shù)產(chǎn)品能提供真正的高溫工作。

如果使用了“備用線對(duì)(spare pairs)”，就容易設(shè)計(jì)帶兩個(gè)PoE控制器的PD節(jié)點(diǎn)，并在電源變壓器的次級(jí)端合并輸出(見(jiàn)圖1)。市場(chǎng)上有少數(shù)幾種支持PoE的商用產(chǎn)品為每個(gè)線對(duì)提供達(dá)30W的功率，并同時(shí)保持符合IEEE802.3af和IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)，因而能給負(fù)載提供提供60W的功率。如果電源設(shè)備以更高的電流限制工作，擴(kuò)展所選PoE控制器的熱性能，每個(gè)線對(duì)就支持提供40W功率，總功率達(dá)80W。

安森美半導(dǎo)體推出的NCP1081和NCP1083等支持80W功率的PoE-PD如今能夠?yàn)楦嗟膽?yīng)用提供足夠的功率，包括小型移動(dòng)接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、眾多膝上型電腦及小外形計(jì)算機(jī)。

尺寸、成本和性能的權(quán)衡

市場(chǎng)上有大量PoE的選擇正好說(shuō)明了每項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都涉及尺寸、成本和性能等經(jīng)典限制的不同組合。隨著PoE功能成為主流，這三項(xiàng)條件都更為重要。在WiFi和數(shù)據(jù)設(shè)備等消費(fèi)應(yīng)用中，尺寸和成本至關(guān)重要，但性能則由整個(gè)平臺(tái)來(lái)共享。最常見(jiàn)的性能衡量指標(biāo)是工作負(fù)載周期內(nèi)的系統(tǒng)總能效。因此，對(duì)尺寸和成本敏感的應(yīng)用，簡(jiǎn)單但更耐用的PoE-PD模塊需要配備更先進(jìn)的PSE電路，以提供出眾的性能。在對(duì)成本不太敏感的設(shè)計(jì)中，可以應(yīng)用某些更新穎的PD控制器，但還必須開(kāi)發(fā)外部軟件支持以提供高性能，不過(guò)它們可以與不太先進(jìn)的PSE電子設(shè)備一起應(yīng)用。

本文小結(jié)

PoE市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)張，使得設(shè)計(jì)人員能夠以集成大功率PoE功能優(yōu)化安裝復(fù)雜度和用戶體驗(yàn)。近期發(fā)布的IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)支持給單個(gè)PoE節(jié)點(diǎn)提供高達(dá)25W功率。PoE供電也能夠擴(kuò)展，支持高于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)限制3倍的功率，從而造就新的細(xì)分市場(chǎng)，并保持反向兼容性。PoE集成將惠及此前不符合標(biāo)準(zhǔn)PoE功率限制的大范圍產(chǎn)品。

圖1：安森美半導(dǎo)體雙PoE-PD為負(fù)載提供60到80W功率。