PoE 2 PD控制器使开发人员提供完整的端到端PoE 2系统
介绍
IEEE最新的以太网供电（PoE）标准，也称为PoE 2或802.3bt（以前称为PoE ++），刚刚成立3岁，但其应用仍然比以往任何时候都更强大。尽管由于 2019 年冠状病毒病 （COVID-19） 导致远程工作有所增加，但每年部署的供电以太网端口数量仍在继续增加。雇主一直在利用空办公桌并将IT基础设施升级到面向未来的工作场所，希望他们最终能够恢复满员。创建智能办公室涉及为办公空间配备连接到互联网的多个物联网设备，包括会议室标牌、电话会议设备和各种传感器。智能办公室的好处包括节能、简化业务运营，也许最重要的是，提高员工的工作场所安全性。COVID-19 只会加速对控制良好的建筑供暖、通风和空调 （HVAC） 系统以及众多非接触式公共物品的需求，迫使设施和 IT 经理协作和部署支持 PoE 的系统。据650集团市场研究公司称，到2025年，全球出货的交换机/PoE端口数量预计将超过1.5亿个。
当 PoE 2 于 2018 年获得批准时，它为用电设备 （PD） 提供的功率高达 71.3 W，几乎是之前标准的 25.5 W 的三倍。 PoE 2 允许通过千兆以太网通过同一根电缆发送电源，为许多昨天、今天和未来的电力和数据密集型应用奠定了基础，包括远程温度监控系统和热像仪，用于在人员进入入口前筛查 COVID-19工作现场。
图 1 显示了一个基本的 PoE 框图，其中单个 PD 连接到供电设备 （PSE）。在过去的几代 PoE 中，单个电源通道足以为每个 PoE 端口供电。快进到 802.3bt，其中每个端口需要两个电源通道来实现中高功率水平，还需要考虑每个通道更高的功率密度。全球以太网市场见证了支持 PoE 的端口的渗透率不断提高。所有这些因素导致IT部门需要部署大量高功率密度、高端口数的系统，同时要求五个9的正常运行时间（99.999%）和可靠性。一个真正可扩展的 PoE 子系统，可以简化高端口数、支持 PoE 的交换机的部署，这早就应该了。
图1.以太网供电框图。
作为PoE的先驱、IEEE 802.3bt任务组的成员以及以太网联盟的积极参与者，ADI公司长期以来一直是业内首屈一指的PSE和PD控制器供应商，为当今现场部署的数亿个端口做出了贡献。发布的ADI LTC9101、LTC9102和LTC9103高端口数PSE芯片组以及ADI的任何PoE 2 PD控制器使开发人员能够提供完整的端到端PoE 2系统。 让我们仔细看看是什么让这个新平台在当今市场上与众不同。
基于平台的 PSE 设计方法
现代交换机是高度复杂的系统，通常暴露在恶劣的环境条件下，包括浪涌和电缆放电事件，并且必须提供高系统可靠性和正常运行时间。过去的 PSE 架构方法从组件级别看待 PSE 子系统设计，专注于增量组件改进，而这些改进不一定能优化集体系统性能。从更高层次看待PSE子系统迫使ADI的设计团队重新思考PSE范式并提供系统级解决方案。LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 和未来的衍生产品将采用这种系统级方法，将数字和vwin 组件整体组合在一起，以解决系统集成商面临的 PSE 挑战，包括表 1 中列出的挑战。
LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 是专为 PoE 2 系统从基板向上设计的自隔离 PSE 控制器芯片组的一部分。图 2 显示了一个简化的原理图，以及如何为多达 48 个以太网端口中的一个供电。该芯片组最新颖的特点是其集成隔离。因此，芯片组架构，其中 LTC9101 为 PSE 主机提供一个隔离的数字接口，而多个 LTC9102 和/或 LTC9103 则提供高压模拟以太网接口。802.3 以太网规范要求网段（包括 PoE 电路）与机箱接地和 PHY 电气隔离。通过将 LTC9101 放在非隔离侧，将 LTC9102 或 LTC9103 放在隔离侧，最多六个昂贵的光耦合器和一个隔离电源被一个更便宜、更可靠的 10/100 以太网变压器所取代。这种拓扑结构不仅可以节省成本，还可以实现更坚固和可制造的PSE设计。
图2.LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 PoE 2 24 端口 PSE 芯片组的简化原理图。
这种可扩展的解决方案能够灵活地实施大型 PSE 系统，从 4 到 48 个端口不等，具体取决于每个端口需要多少功率。每种设计都需要至少一个 LTC9101 数字控制器和一个或多个 LTC9102 / LTC9103 模拟控制器。
LTC9102 提供 12 个电源通道，其中每个通道为以太网电缆中的四对电线中的两对供电，为从 12 个 30 W 端口（每个端口使用一个电源通道）到 6 个 90 W 端口（每个端口使用两个电源通道）的任何端口供电。
同样，LTC9103提供8个电源通道，可用于为8个30 W端口至4个90 W端口等任何端口供电。
单个 LTC9101 可管理多达 4 个可混合和匹配的 LTC9102 和 / 或 LTC9103。例如，一个LTC9101、一个LTC9102和两个LTC9103可用于实现具有4个90 W端口和20个30 W端口的24端口PSE，如图3所示。
图3.LTC9102/LTC9103混合匹配实现示例：24 端口 PSE，具有 4 个 90 W 端口和 20 个 30 W 端口。
IT 和设施经理都将欣赏 LTC9101 的第六代数字功能，包括用于存储固件更新和定制用户配置包的内部 eFlash、向后兼容 LTC4291 4 端口 PoE 2 PSE 驱动器，以及 I2C 串行接口。LTC9101 的现场可升级固件映像存储在专用闪存分区中，其中预配置了一个完全兼容的 IEEE 802.3at/bt 固件映像。固件映像的两个完整副本在单独的 ECC 和 CRC 保护下进行维护，以实现最大的数据保护。成功启动芯片组后，用户可以通过LTC9101的I进行配置并与芯片组通信2C 接口，其中每个端口可以独立配置为四种 PSE 操作模式（自动、半自动、手动或关机）之一，端口电流、PoE 电源电压和端口电源的遥测读数可用于管理系统电源。
LTC9101 是芯片组的大脑，而 LTC9102 / LTC9103 则以多种方式为高压电源路径提供高效率和耐用性。每个 LTC9102 / LTC9103 电源通道均采用专用的检测和分类硬件实现。这允许所有端口同时检测、分类和上电，从而大大减少交换机上的上电延迟。其他不太高级的 PSE 作为 PD 会受到明显的延迟;例如，LED 灯以串行端口为基础供电。LTC9102 / LTC9103 使用一个外部 MOSFET 控制每个电源通道，从而允许用户选择低 RDS（ON）组件，降低功耗，并解耦通道故障。使用0.1 Ω检测电阻进一步有助于降低功耗。
在发生过流故障或端口短路时，LTC9102/LTC9103 可在 ~1 μs 内快速断电，以保护 PSE、MOSFET 和下游电路。此外，所有面向端口的引脚均可承受高达+80 V或低至–20 V的电压瞬态事件，而不会造成损坏。也许最令人印象深刻的是，根据IEC 61000-4-5浪涌抗扰度规范（DC3160演示板展示了此功能），该芯片组能够以最少的外部组件在超过±6.5 kV的浪涌下工作。在任何故障之后，LTC9102 / LTC9103 都会以一种安全、电流受限的方式快速重新接通 MOSFET，同时最大限度地减少对 PD 的中断，这对于最大限度地延长网络正常运行时间至关重要。
PoE 2 拓扑、检测方案和功率等级
PoE 2 引入了两种不同的 PD 签名配置，即单签名和双签名 PD。单特征 PD（图 4）是一种 PoE 2 PD，它在两个对集之间共享相同的检测特征和分类特征。双特征 PD 是 PoE 2 PD，每个对集上都有一个独立的签名，允许每个对集具有完全独立的分类和功率分配。双特征PD是复杂的解决方案，其成本是单特征PD的两倍。值得注意的是，802.3bt 双特征 PD 并不等同于预标准的 UPoE 设备，尽管共享一个通用架构。LTC9101 / LTC9102 / LTC9103 支持稳健的 PoE 2 PD 检测过程，该过程结合了新的连接检查子过程，以确定将哪种 PD 特征配置连接到 PSE。
图4.单特征与双特征 PD 拓扑。
除了执行连接检查外，设备还会验证连接的 PD 是否是符合 IEEE 标准的合法 PD。虽然IEEE要求PSE使用2点电压或2点电流检测方案检测有效的PD特征（25 kΩ），但LTC9101/LTC9102/LTC9103通过采用两种类型的检测方案来实现更稳健的方案。这种多点（多电压和多电流）检测方案用于消除误报，并避免损坏不设计为承受PoE DC电压的网络设备。
PoE 2 为两对导体（四根线）通电，以提供高达 25.5 W 的功率，并为四对导体（八根线）通电，以提供高达 71.3 W 的功率。不仅可以实现更高的功率水平，而且使用更多的导体可以为较旧的较低功率水平提供更好的效率，因为所有导体通电后，电缆中的功率损耗将减少一半。例如，PoE 1 （PoE+） PSE 提供 30 W 的功率，以确保 PoE 1 PD 接收 25.5 W 的功率，其中 4.5 W 的功率在 100 米的 CAT5e 电缆上损耗。使用PoE 2为相同的25.5 W PD供电的四对可将损耗降低到2.25 W以下，从而将供电效率从85%提高到92.5%。当您考虑全球 PoE PD 的数量时，这意味着功耗大大降低，并且在许多情况下，碳足迹最多可降低 7.5%。
PoE 2 引入了 4 个新的高功率 PD 类，使单特征类的总数达到 9 个，如表 2 所示。类 5 到 8 是 PoE 2 的新增内容，可转换为 40 W 至 71.3 W 的 PD 功率级别。PSE 仍然可以选择使用物理层（即 71.3 W 的 5 事件分类）或数据链路层（即链路层发现协议 LLDP）对 PD 进行分类，并且 PD 仍然必须能够支持这两种分类方案才能合规。请记住，由于每个对集在双特征 PD 中独立运行，因此每个对集可以是不同的类。例如，第一个对组上的 1 类 （3.84 W） 和第二个配对组上的 2 类 （6.49 W） 将构成双特征 1 类和 2 类 （10.3 W） PD。
PoE 2 PD 还可以实现物理层分类的可选扩展，称为自动分类，其中 PoE 2 PSE 如 LTC9101/LTC9102/LTC9103 芯片组测量所连接 PD 的实际最大功耗。通过这样做，这种方便的电源管理功能允许在其他灯泡测量特定灯泡时将“剩余”功率分配给其他灯泡，由于亮度设置较低或电缆较短，消耗的功率低于其类别。
毋庸置疑，PoE 2 向后兼容较旧的 25.5 W 和 13 W PoE 1 标准。低功耗 PoE 1 PD 可以连接到更高功率的 PoE 2 PSE，不会出现任何问题。而且，当工作台转动并且较高功率的 PoE 2 PD 连接到较低功率的 PoE 1 PSE 时，PD 可以在协商的低功耗状态下运行，这称为降级。如果 PD 忽略降级并在其最高功率状态下运行，则耗电的 PD 将导致 PSE 反复打开，达到其过电流，然后关闭 - 实际上，摩托艇使 PSE 。因此，PoE 1 和 PoE 2 PD 都需要降级，但不幸的是，在某些实现中被忽略了。
最高效的局部放电
ADI提供多种独特的IC，包括由Maxim Integrated（现为ADI的一部分）设计的IC，以最大限度地提高PoE 2 PD性能。图 3 显示了带有辅助输入的高效单特征 PoE 2 PD 接口的简化框图。该解决方案提供大于 94% 的端到端（RJ-45 输入至 PD 负载）效率，工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。
LT®4321（如图5中的RJ-45接口所示）是一款有源二极管桥式控制器，可取代所需的二极管桥式整流器。LT4321 采用低损耗 N 沟道 MOSFET 电桥来同时增加 PD 的可用功率并减少散热。PoE 2 要求 PD 在其以太网输入上接受任何极性的 DC 电源电压，因此 LT4321 能够平稳地整流，并将来自两个数据对的功率组合到单个极性正确的电源输出中。由于增强的功率效率实际上消除了散热要求，因此降低了整体电路尺寸和成本，并且节能10×或更多使PD能够保持在分类功率预算范围内或添加其他功能。
图5.带辅助输入的高效 IEEE 802.3bt 单特征 PD 接口的简化框图。
图 5 所示的理想二极管桥控制器是 PD 接口的大脑 — LT4295 是一款集成了一个高效率正激式或无光耦反激式控制器的 PoE 2 PD 接口控制器。LT4295 支持所有 9 个 IEEE PD 类别，具有一个集成的 25 kΩ 特征电阻器、多达 5 个事件分类和一个单特征拓扑。除了提供更多的 PD 功率外，LT4295 相对于传统 PD 控制器的优势在于它使用了一个外部功率 MOSFET，以再次大幅降低整体 PD 散热并最大限度地提高功率效率，这在 PoE 2 的较高功率水平下变得更加重要。
对于那些需要能够支持辅助电源的PoE 2 PD设计，其中PD可以选择由电源适配器供电，图3顶部所示的LT4320是一款9 V至72 V有源二极管桥式控制器，它用低损耗N沟道MOSFET取代全波桥式整流器中的四个二极管，以显著降低功耗并增加可用值电压。电源和壁式电源适配器的尺寸可以减小，因为增强的电源效率消除了笨重且昂贵的散热器。低电压应用还可以从热运行二极管电桥固有的近两个全二极管压降（~1.2 V，12 V时为10%）提供的额外裕量中受益，从而增加应用裕量。
结论
PoE 2 在当今不断增长的全球以太网市场中仍然非常重要，即使在远程工作持续占主导地位的情况下也是如此。使用支持 PoE 的扫描仪、摄像头和其他系统改造建筑物以保护员工的小型、中型和大型企业比以往任何时候都更需要高端口数 PSE。ADI 的 LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 PSE 芯片组使交换机供应商能够高效、可靠地为多达 48 个以太网端口供电，同时为设施和 IT 经理提供先进的电源管理功能，从而满足这一需求。同时，在电缆的另一端，PD开发人员继续拥有多个ADI IC，以提高集成度、减少热量并提高电源效率。
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