现在就实现IEEE 802.3bt 71W PoE标准

引 言

以太网供电 (PoE) 技术日益流行和成熟，因此供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD) 开发人员热切盼望追随下一波IEEE潮流，开始通过以太网电缆提供更大功率，也就不足为奇了。不过，就像很多行业标准一样，IEEE PoE标准的最终确定常常远远滞后于市场所需。IEEE PoE 特别小组的最新时间表显示，71W 802.3bt 标准直到2018年初都不会准备就绪。从技术角度而言，这样的等待时间太长了，等待这么久意味着很容易错过商机或市场机会。那么，在这种情况下，PSE和PD开发人员应该怎么办? 没什么可说的，当然是现在就开始设计和制造设备！想让产品率先进入 802.3bt 市场的开发人员今天有ADI公司的 LT4295 IEEE 802.3bt PD 控制器可用，该控制器符合标准草案 2.0 版要求。

图1 IEEE 802.3bt PSE-PD 链路的典型方框图

功率越大，潜力越大

不出所料，IEEE PoE 特别小组和开发人员的关注点一直落在最终为PD提供多大功率上。2003 年，IEEE PoE 特别小组在最初的 IEEE 802.3af PoE标准中规定，向PD输入端的RJ-45插座提供约13 W功率。此后，市场不断要求更大功率。因此在2009 年，IEEE PoE特别小组修订了标准，发布了IEEE 802.3at (也称为 PoE+)，将最大PD功率级提高到25.5 W。到今天，人们预计，目前正在制订中的修订版 IEEE 802.3bt 草案标准 2.0 (也称为 PoE++ 或 4PPoE)将为PD提供高达71 W功率。

有了更大的功率，开发人员就可以非常容易地增加更多功能并升级已有产品。以安防摄像头为例，这种应用一直随着PoE标准的修订而不断演变。在仅有13 W功率可用时，最初的PoE供电安防摄像头仅是简单的静止系统。然而，当802.3at分配了25.5 W 功率以后，就有了更大功率来驱动多种嵌入式电动机，从而使安防摄像头可以提供上下、左右移动和变焦功能。现在，由于可以利用802.3bt的 71 W 功率，所以具备上下、左右移动和变焦功能的安防摄像头还可以集成风扇和加热组件，以支持在极端温度下运行。在有些情况下，更高的 PoE 功率级有可能助力打开全新市场。例如，传统LED照明设备制造商可能只生产安装在天花板上、用墙上开关控制的照明灯，但是现在，它们可以生产支持PoE的产品，这将有助于为智能家居或智能建筑创造机会。无论更大的功率是否促进了最终产品的演变或彻底改变，很显然的是，PoE 标准的每一次修订都带来了更大的市场潜力。

对 PSE-PD 链路的改变

正如您也许已经猜到的那样：4PPoE 代表“4线对 PoE”，因为802.3bt规范利用以太网电缆中的所有 4 根双绞线以实现长达100 m的功率传输；在较旧的PoE标准中，4线对功率输送不兼容。图1示出了IEEE 802.3bt PSE-PD链路的典型方框图。电缆布线要求仍然悬而未决，但是电缆布线委员会和制造商正在猜测：802.3bt将要求至少采用Category 5E电缆，旨在支持增加的功率水平并以10GBASE-T (10 Gbit/s以太网数据速率) 运作。在任何场合，由于我们现今逐步达到以太网电缆的电流处理极限，因此可能要留意先前被忽视的电缆布线系统性能特征。

802.3bt引入了两种新型PD拓扑：单特征和双特征。单特征PD是在两个线对(pairset)之间共用相同的检测特征、分级特征和维持功率特征(MPS)的802.3bt PD，而双特征PD则是在两个线对之间具有独立特征的802.3bt PD。毫无疑问，新的802.3bt设计将趋向于采用较为简单和更具成本效益的单特征拓扑，该拓扑仅需要单个PD接口。双特征PD需要两个并行PD接口(每个线对各用一个)，来自两个PSE的功率在每个PD接口之后相加。例如，双特征拓扑实质上采用两个25.5 W PD以构成单个51 W PD，这是一种成本有可能高达单特征51 W PD之两倍的复杂解决方案。

802.3bt检测过程已被扩展到不仅能够辨别所连接的PD是符合802.3标准的PD，而且还可确定连接的是单特征PD还是双特征PD。正因为如此，检测功能如今利用“连接检查” (Connection Check) 进行了扩充，以确定单特征或双特征PD配置。

802.3bt规范引入了4种新的高功率PD分级 (Class)，从而使单特征类别的总数达到9个，如表1所列。Class 5～8对于PoE标准而言是新的，并转化为40.0～71.0 W的PD功率水平。PSE仍然可选择使用物理层(即：用于71 W的5事件分级) 或数据链路层(即：链路层发现协议，LLDP) 进行PD的分级，而且PD依然必需能够支持两种分级方案以与标准相符。另外，802.3bt 还可以实现物理层分级的一种任选扩展(称为“Autoclass”)，在此扩展中一个 802.3bt PSE测量一个连接PD的实际最大吸取功率。举个例子，这种便利的功率管理功能允许PSE把剩余的功率分配给附加的灯泡 (如果它知道某个特定灯泡所吸取的功率低于其分级功率)。

表1 IEEE 802.3bt PD 分级和功率水平

对于那些需要PD在深度睡眠模式之用户，他们将很高兴地发现：802.3bt规范提出了维持功率特征(MPS)的一种较低功率版本，被称为“低 MPS”。根据较旧的PoE标准，PD必须以32%的占空比吸收一个小的DC电流，旨在告知PSE把PD保持在接通状态。然而，这种相对较高的占空比在某些应用中会迅速成为一项负担，比如：当您考虑新的“高效节能型”建筑标准时。目前，802.3bt PD仅需以～2%的占空比维持一个小的DC电流，因而大幅度地减小了待机电流。

表2汇总了802.3bt PD的类型(Type)和特性。您或许已经熟悉了Type 1和Type 2 PD，它们分别由802.3af和802.3at规范提出，并且通常映射到一种或多种独特的分级 (功率水平)。然而，802.3bt的新型Type 3和Type 4 PD就不是那么简单了。正如可从“PD 分级”栏看到的那样，除了Class 0之外，Type 3 PD涵盖和扩展了 Type 1 和 Type 2 PD 中的分级。相似地，Class 5被Type 3单特征和Type 4双特征PD所采用。此外，从表1可知，一个 Class 5 单特征PD仅被分配了40 W，而一个Class 5双特征PD则被分配了2×35.5 W；在双特征PD中会使情况更加糟糕，因为每个线对独立地工作，每个线对有可能处于不同的分级，例如：第一个线对上的Class 1(3.84 W)和第二个线对上的Class 2(6.49 W)形成了一个双特征Class 1.2(10.3 W) PD。随着双特征PD的所有此类分级重叠和非标准功率水平的激增，重要的是开发人员和用户等不再把PD类型与PD分级等同起来，也不再把PD分级与PD功率水平视为同义。作为替代，明确地识别PD的特征拓扑和分级并谨慎地检查PD“类型”的真实含义对每个人都将是最有益的。

表2 IEEE 802.3bt PD 类型和特性概要

不言而喻，802.3bt可向后兼容802.3at和802.3af。一个较低功率802.3at或802.3af PD 可连接至一个较高功率802.3bt PSE，这不会有任何问题。而且，当情况反过来的时候，即一个较高功率802.3bt PD连接至一个较低功率802.3at或802.3af PSE，PD只需能够工作在各自的较低功率状态即可，这被称为“降级”。如果PD忽略降级并工作在其最高功率状态，则高耗电的PD将导致PSE反复地接通，达到其电流限值，然后关断。这实际上使 PSE产生低频寄生振荡。因此，“降级”是802.3at和802.3af规范所要求的，但遗憾的是在许多实施方案中被忽视了。

尽可能地使用所有的可用功率

高功率PD设计最重要的方面通常是成本和效率，这在很大程度上受到选择用于实现PD接口之IC的影响。此外，从事空间受限型设计的开发人员还痛苦地意识到怎样限制PD的尺寸只会成为更大的挑战，原因是较高的功率水平需要使用较大的分立组件和较大的散热器。为此，ADI提供了三款专为实现802.3bt PD性能之最大化、可简化工作任务而特别设计的IC。图2示出了具有一个辅助输入的高效率单特征802.3bt PD接口的简化方框图。该解决方案拥有高于94%的端到端(RJ-45输入至PD负载)效率，并可在-40～125 °C 的温度范围内工作。

图2 具有辅助输入的高效率IEEE 802.3bt单特征PD接口的简化方框图

示于图2中RJ-45接口上的LT4321是一款理想二极管桥控制器，其可取代两个二极管桥式整流器 (图 1)。LT4321 采用低功耗N沟道MOSFET桥以同时增加PD的可用功率并减少散热量。802.3bt规范要求PD在其以太网输入端上能够接受任何极性的DC电源电压，这样LT4321可对来自数据线对和空闲线对的电源进行平滑地整流并将其整合为极性正确的单个电源输出。由于电源效率提高实际上免除了散热要求，所以总体电路尺寸和成本得以降低。功率可降低10倍或更多，从而使PD能够保持在分级功率预算之内，或者使PD能够增加功能。

在图2中位于理想二极管桥控制器之后的是PD接口的“大脑中枢”LT4295，其为一款符合 802.3bt标准的PD接口控制器，集成了一个高效率正激式或无光耦合反激式控制器。LT4295利用一个集成型25 kΩ特征电阻、高达5事件分级检测和一种单特征拓扑支持所有9种PD分级和所有4种PD类型。除了提供更多的PD功率之外，使LT4295优于传统PD控制器的因素是其采用一个外部功率MOSFET以大幅度地降低总体PD散热量并实现电源效率的最大化，由于802.3bt的功率水平更高，因此这一点再次变得更为重要。这种新颖方法使用户能够按照应用的具体散热和效率要求选择MOSFET尺寸，从而允许选用导通电阻低至30 mΩ的MOSFET。

如果802.3bt的71.0 W让您渴望获得更多的功率，则可寻求ADI LTPoE++ PSE和PD控制器系列的帮助，这些器件能提供高达90 W的功率水平。LTPoE++规范采用了一种与802.3bt规范相似的分级方案，可使LTPoE++ PSE控制器与LTPoE++ PD控制器可靠地相互通信，同时保持与802.3at和802.3af设备的互操作性。只需一根电缆，就能实现LTPoE++ PD在LTPoE++ PSE 上的“即插即用”，所有的信号交换均利用硬件自动地处理，无需软件！

最后，对于那些具有必须能支持一个辅助电源的802.3bt PD(除了PoE以外，PD还可选择由一个电源适配器供电) 的用户，示于图2顶部的LT4320是一款9～72 V理想二极管桥控制器，其采用低损耗N沟道MOSFET替代了全波桥式整流器中的全部4个二极管，以显著地降低功率耗散并增加可用电压。由于电源效率的提升免除了笨重和昂贵的散热器，因此可缩减电源和墙上变压器的尺寸。另外，通过几乎消除热运行二极管桥中固有的两个完整二极管压降(约1.2 V，在12 V时为10%) 提供了额外的裕度 (从而增加了应用的储备空间)，低电压应用亦能从中获益。

结 论