以太网供电(PoE)和智能楼宇：第二部分

作者：安森美先进方案部美国营销经理Bob Card

根据美国国家防火协会（NFPA）的数据，电气和照明设备是引起美国商业火灾的第三大源头。典型的根源是老旧或有缺陷的电线，过载的电路，松动的连接，故障保险丝，不平衡的电力负荷，以及许多其他电气或雷击问题。这些都会导致过热，产生火花，最终点燃火灾。

主电源通过三根绝缘铜线传输长短距离的交流电： 火线、中性线和接地。火线带有交流电势差（120 VAC或230 VAC）。中性线接通电路，并保持在或接近于地电位，或0V。地线是一条安全线，在发生故障时将电路接地。简而言之，与保险丝和断路器一起，主电源将其铜线总质量的33%，即接地线，用于安全。

图1：2.5 mm2实心铜质电源线的横截面（左），旁边是相同比例的23 AWG实心铜质CAT6电缆（右）。

以太网供电（PoE）在电源设备（PSE）和受电设备（PD）之间通过以太网电缆传输短距离（最多 100 米）直流电。根据PoE标准，最多使用八根铜线来传输直流电，包括返回路径。简而言之，PoE并没有将任何铜线用于安全。从道理和架构上讲，PoE标准将安全控制从铜线（主电源）转移到硅上。这里有两个好处：硅比铜便宜得多，而且您可以给硅编码。但您不能对铜进行编码。

2-Pair电源对比4-Pair电源

以太网使用RJ45连接器，它有八个触点。这些触点被分为四个差分（diff）对（图2）。在10BASE-T（10 Mbps）和100BASE-TX（100 Mbps）网络中，四个差分对中只有两个用于传输数据，剩下两个差分对没有使用。在千兆以太网（1Gbps）网络中，所有四个差分对都用于数据传输。

利用现有的10/100/1000以太网基础设施，IEEE 802.3af（现在称为PoE）提供350毫安/对，最大57伏，IEEE 802.3at提供600毫安/对，最大57伏（称为PoE 1），利用这些未使用的线对提供电力，实现两种替代模式；替代A或B。
A. 替代方案A（PSE），或模式A（PD）在不同的线对2和线对3上传输电力。
B. 替代方案B（PSE），或模式B（PD）在不同的线对1和线对4上传输电力。

同时，PoE 2或IEEE 802.3bt使用所有四个不同的线对，以960毫安/线对运行4-pair电源，最大为57 V。使得电源端最大可传输90W功率。

图2：2-pair电源对比4-pair电源

IEEE 802.3bt（90 W）分类

以太网联盟(Ethernet Alliance)将这四种类型进一步划分为八个不同的类别，如图3所示。对于电源设备（PSE）来说，每个PoE 2类别（5-8）按15W功率差别来划分，对于受电设备（PD）来说，每个PoE 2类别按11W功率差别来划分，更精细的类别与类型的划分优化了多端口PSE的能效，为连接的PD提供各种功率，特别是随着连接的PSE端口数量的增加，能效提升更为明显。

图3：IEEE 802.3bt分类

IEEE 802.3af/at/bt供电阶段

PSE和PD之间的PoE供电遵循五个不同的阶段，如下和图4所示。
第1阶段：检测
第2阶段：分类
第3阶段：启动
第4阶段：运行
第5阶段：断开连接

PSE包含一个与返回电流路径串联的Rsense电阻，用于测量由PD抽取的电流。PD上还有一个25k的下拉特征电阻，用于通知PSE进行检测。

图4：PoE供电阶段(来源：以太网联盟(Ethernet Alliance))

第1阶段：检测

当PSE和PD通过以太网电缆连接时，PD向PSE提供一个25 kΩ的下拉电阻（图4右）。然后PSE在500毫秒的时间内进行两次电流测量。

1)施加电压V 2.8 V，并测量I
2)施加电压V 10 V，并测量I

通过计算ΔV / ΔI，如果PSE的测量出的电阻值为从19 KΩ到26.5 KΩ，PSE可以接受检测为有效。否则，PSE必须视检测为无效。进行差分测量的好处是，任何周围的噪声（产生噪声的源称为aggressor，侵害源）对每次测量都是共模的，因此将被抑制（共模抑制）。

第2阶段：分类

在分类阶段，PD向PSE宣布其要求的类别签名（signature），或功率要求。如图5所示，分类阶段被分为五个类别事件或时隙。

1) 类别签名0：1 mA至4 mA
2) 类别签名 1：9 mA至12 mA
3) 类别签名2：17 mA至20 mA
4) 类别签名 3：26 mA 至 30 mA
5) 类别签名4：36 mA至44 mA

图5：PD产生的类别特征

该图捕获了在每个类别事件（列）期间需要的类别签名（行），以确定PD类别（1-8）。例如，一个类别7的PD将在类别事件1期间提供40 mA，在类别事件2期间提供40 mA，在类别事件3至5期间提供18 mA。 PSE在每个时间事件期间测量PD的汲电流，以了解PD的类别。

PSE负责向线路施加下图6中描述的电压，而PD负责抽取相应的多达五个不同的称为类别签名的电流。

图6：类别签名 和电流水平

自动分类

如图5所示，类别事件1比其他类别事件要长。这是802.3bt特有的，而802.3at或802.3af则没有这种情况。如果PD也符合802.3bt，则PD可以在类别事件1的81毫秒内改为类别签名0（1到4毫安），这通知802.3bt PSE，PD也是802.3bt并支持自动分类。

在PD通电后，PD按其最大功率运行约1.2秒。PSE测量PD的功率，并增加一些余量，这个新的功率水平就是PSE优化之后提供给PD的功率。

自动分类优化了PSE的功率分配。例如，如果一个PD在运行期间需要最大65 W的功率，该PD将向PSE确认自己为类别8级，以保证PD获得65  W。如果没有自动分类，PSE将分配90 W，以确保PD获得65 W。有了自动分类，PSE可能只测量到66.5 W（短电缆长度，线损大约1.5W），+1.75 W余量=68.25 W配电。和原来的90W相比 节省功率21.75 W或25%。虽然这看起来不大，但如果PSE交换机有8个802.3bt端口，自动分类可以优化每个端口（根据线缆长度不同，线损也不同），可节省总能效几百瓦。
 
第3阶段：启动

在启动阶段，PSE负责将类别1至类别4的浪涌电流限制在450 mA，类别5至类别8的浪涌电流限制在900 mA。

在启动阶段，PD负责将类别1至类别6的负载电流限制在400 mA，类别7至类别8的负载电流限制在800 mA。

第4至5阶段：运行，断开连接和维持功率特征(MPS)

电源保持签名（MPS）是一个保持运行的功能，其中PD从PSE抽取周期性的电流脉冲，以通知PSE，PD还没有断开连接。如果PSE在每隔400ms后没有收到PD的MPS，那么PSE必须断开PD的电源。

IEE 802.3bt PD应用框图

图7描述了一个典型的802.3bt受电设备（PD）的应用图。从左到右，变压器将以太网10/100/1000M  数据交流耦合到附近的处理器。全波整流是由GreenBridge™ 2完成的，比传统的硅二极管桥消耗的功率更少。安森美(onsemi)的PD接口芯片NCP1095(引脚7)提供25 kΩ的检测下拉电阻，而引脚2和3通过Class 类别(外接电阻值)确定PD的功率要求，在连接后的分类事件中传达给PSE。引脚6、8、9和10分别通过外部Rsense和MOS管门极共同控制浪涌和提供过电流保护（OCP）。在引脚13、15和16上提供与外部处理器的三比特位的状态信息。引脚14 (PGO)在PoE电源输出稳定时通知下游DC-DC器件。引脚4允许NCP1095从本地辅助电源上电，而引脚6控制自动分类，这是802.3bt的一个新功能。

图6：802.3bt应用框图

安森美还提供NCP1096控制器，它集成了外部FET和Rsense。 

您可对硅编码

相对来说，保险丝、断路器和接地线对于防止电气火灾没那么灵活，特别是与IEEE 802.3bt的功能相比。IEEE 802.3bt所提供的供电功能，如分类、自动分类、浪涌控制和MPS，要优越得多。例如，在市电的情况下，隐藏在墙壁或天花板中的啮齿动物很容易引起电气火灾而没有任何警告。相比之下，如果PD没有每隔400毫秒向PSE提供一个MPS，PSE就会自动切断PD的电源。

我们可以很容易地想象，对PSE进行编码，以捕获意外断开，这将向IT部门触发一个早期警告标志，有可能防止建筑物火灾等灾难性事件。同时，分类和自动分类智能地分配一个负载所需的确切功率。这是一种非常安全和高效的电力分配方式。就像前面提到的，硅比铜便宜得多，您可以给硅编码，但您不能给铜编码。