【導讀】根據美國國家防火協(xié)會（NFPA）的數(shù)據，電氣和照明設備是引起美國商業(yè)火災的第三大源頭。典型的根源是老舊或有缺陷的電線，過載的電路，松動的連接，故障保險絲，不平衡的電力負荷，以及許多其他電氣或雷擊問題。這些都會導致過熱，產生火花，最終點燃火災。
根據美國國家防火協(xié)會（NFPA）的數(shù)據，電氣和照明設備是引起美國商業(yè)火災的第三大源頭。典型的根源是老舊或有缺陷的電線，過載的電路，松動的連接，故障保險絲，不平衡的電力負荷，以及許多其他電氣或雷擊問題。這些都會導致過熱，產生火花，最終點燃火災。
主電源通過三根絕緣銅線傳輸長短距離的交流電： 火線、中性線和接地?；鹁€帶有交流電勢差（120 VAC或230 VAC）。中性線接通電路，并保持在或接近于地電位，或0V。地線是一條安全線，在發(fā)生故障時將電路接地。簡而言之，與保險絲和斷路器一起，主電源將其銅線總質量的33%，即接地線，用于安全。
圖1：2.5 mm2實心銅質電源線的橫截面（左），旁邊是相同比例的23 AWG實心銅質CAT6電纜（右）。
以太網供電（PoE）在電源設備（PSE）和受電設備（PD）之間通過以太網電纜傳輸短距離（最多 100 米）直流電。根據PoE標準，最多使用八根銅線來傳輸直流電，包括返回路徑。簡而言之，PoE并沒有將任何銅線用于安全。從道理和架構上講，PoE標準將安全控制從銅線（主電源）轉移到硅上。這里有兩個好處：硅比銅便宜得多，而且您可以給硅編碼。但您不能對銅進行編碼。
2-Pair電源對比4-Pair電源
以太網使用RJ45連接器，它有八個觸點。這些觸點被分為四個差分（diff）對（圖2）。在10BASE-T（10 Mbps）和100BASE-TX（100 Mbps）網絡中，四個差分對中只有兩個用于傳輸數(shù)據，剩下兩個差分對沒有使用。在千兆以太網（1Gbps）網絡中，所有四個差分對都用于數(shù)據傳輸。
利用現(xiàn)有的10/100/1000以太網基礎設施，IEEE 802.3af（現(xiàn)在稱為PoE）提供350毫安/對，最大57伏，IEEE 802.3at提供600毫安/對，最大57伏（稱為PoE 1），利用這些未使用的線對提供電力，實現(xiàn)兩種替代模式；替代A或B。
A. 替代方案A（PSE），或模式A（PD）在不同的線對2和線對3上傳輸電力。
B. 替代方案B（PSE），或模式B（PD）在不同的線對1和線對4上傳輸電力。
同時，PoE 2或IEEE 802.3bt使用所有四個不同的線對，以960毫安/線對運行4-pair電源，最大為57 V。使得電源端最大可傳輸90W功率。
圖2：2-pair電源對比4-pair電源
IEEE 802.3bt（90 W）分類
以太網聯(lián)盟(Ethernet Alliance)將這四種類型進一步劃分為八個不同的類別，如圖3所示。對于電源設備（PSE）來說，每個PoE 2類別（5-8）按15W功率差別來劃分，對于受電設備（PD）來說，每個PoE 2類別按11W功率差別來劃分，更精細的類別與類型的劃分優(yōu)化了多端口PSE的能效，為連接的PD提供各種功率，特別是隨著連接的PSE端口數(shù)量的增加，能效提升更為明顯。
圖3：IEEE 802.3bt分類
IEEE 802.3af/at/bt供電階段
PSE和PD之間的PoE供電遵循五個不同的階段，如下和圖4所示。
第1階段：檢測
第2階段：分類
第3階段：啟動
第4階段：運行
第5階段：斷開連接
PSE包含一個與返回電流路徑串聯(lián)的Rsense電阻，用于測量由PD抽取的電流。PD上還有一個25k的下拉特征電阻，用于通知PSE進行檢測。
圖4：PoE供電階段(來源：以太網聯(lián)盟(Ethernet Alliance))
第1階段：檢測
當PSE和PD通過以太網電纜連接時，PD向PSE提供一個25 kΩ的下拉電阻（圖4右）。然后PSE在500毫秒的時間內進行兩次電流測量。
1)施加電壓V 2.8 V，并測量I
2)施加電壓V 10 V，并測量I
通過計算ΔV / ΔI，如果PSE的測量出的電阻值為從19 KΩ到26.5 KΩ，PSE可以接受檢測為有效。否則，PSE必須視檢測為無效。進行差分測量的好處是，任何周圍的噪聲（產生噪聲的源稱為aggressor，侵害源）對每次測量都是共模的，因此將被抑制（共模抑制）。
第2階段：分類
在分類階段，PD向PSE宣布其要求的類別簽名（signature），或功率要求。如圖5所示，分類階段被分為五個類別事件或時隙。
1) 類別簽名0：1 mA至4 mA
2) 類別簽名 1：9 mA至12 mA
3) 類別簽名2：17 mA至20 mA
4) 類別簽名 3：26 mA 至 30 mA
5) 類別簽名4：36 mA至44 mA
圖5：PD產生的類別特征
該圖捕獲了在每個類別事件（列）期間需要的類別簽名（行），以確定PD類別（1-8）。例如，一個類別7的PD將在類別事件1期間提供40 mA，在類別事件2期間提供40 mA，在類別事件3至5期間提供18 mA。 PSE在每個時間事件期間測量PD的汲電流，以了解PD的類別。
PSE負責向線路施加下圖6中描述的電壓，而PD負責抽取相應的多達五個不同的稱為類別簽名的電流。
圖6：類別簽名 和電流水平
自動分類
如圖5所示，類別事件1比其他類別事件要長。這是802.3bt特有的，而802.3at或802.3af則沒有這種情況。如果PD也符合802.3bt，則PD可以在類別事件1的81毫秒內改為類別簽名0（1到4毫安），這通知802.3bt PSE，PD也是802.3bt并支持自動分類。
在PD通電后，PD按其最大功率運行約1.2秒。PSE測量PD的功率，并增加一些余量，這個新的功率水平就是PSE優(yōu)化之后提供給PD的功率。
自動分類優(yōu)化了PSE的功率分配。例如，如果一個PD在運行期間需要最大65 W的功率，該PD將向PSE確認自己為類別8級，以保證PD獲得65 W。如果沒有自動分類，PSE將分配90 W，以確保PD獲得65 W。有了自動分類，PSE可能只測量到66.5 W（短電纜長度，線損大約1.5W），+1.75 W余量=68.25 W配電。和原來的90W相比 節(jié)省功率21.75 W或25%。雖然這看起來不大，但如果PSE交換機有8個802.3bt端口，自動分類可以優(yōu)化每個端口（根據線纜長度不同，線損也不同），可節(jié)省總能效幾百瓦。
第3階段：啟動
在啟動階段，PSE負責將類別1至類別4的浪涌電流限制在450 mA，類別5至類別8的浪涌電流限制在900 mA。
在啟動階段，PD負責將類別1至類別6的負載電流限制在400 mA，類別7至類別8的負載電流限制在800 mA。
第4至5階段：運行，斷開連接和維持功率特征(MPS)
電源保持簽名（MPS）是一個保持運行的功能，其中PD從PSE抽取周期性的電流脈沖，以通知PSE，PD還沒有斷開連接。如果PSE在每隔400ms后沒有收到PD的MPS，那么PSE必須斷開PD的電源。
IEE 802.3bt PD應用框圖
圖7描述了一個典型的802.3bt受電設備（PD）的應用圖。從左到右，變壓器將以太網10/100/1000M 數(shù)據交流耦合到附近的處理器。全波整流是由GreenBridge? 2完成的，比傳統(tǒng)的硅二極管橋消耗的功率更少。安森美(onsemi)的PD接口芯片NCP1095(引腳7)提供25 kΩ的檢測下拉電阻，而引腳2和3通過Class 類別(外接電阻值)確定PD的功率要求，在連接后的分類事件中傳達給PSE。引腳6、8、9和10分別通過外部Rsense和MOS管門極共同控制浪涌和提供過電流保護（OCP）。在引腳13、15和16上提供與外部處理器的三比特位的狀態(tài)信息。引腳14 (PGO)在PoE電源輸出穩(wěn)定時通知下游DC-DC器件。引腳4允許NCP1095從本地輔助電源上電，而引腳6控制自動分類，這是802.3bt的一個新功能。
圖6：802.3bt應用框圖
安森美還提供NCP1096控制器，它集成了外部FET和Rsense。
您可對硅編碼
相對來說，保險絲、斷路器和接地線對于防止電氣火災沒那么靈活，特別是與IEEE 802.3bt的功能相比。IEEE 802.3bt所提供的供電功能，如分類、自動分類、浪涌控制和MPS，要優(yōu)越得多。例如，在市電的情況下，隱藏在墻壁或天花板中的嚙齒動物很容易引起電氣火災而沒有任何警告。相比之下，如果PD沒有每隔400毫秒向PSE提供一個MPS，PSE就會自動切斷PD的電源。
我們可以很容易地想象，對PSE進行編碼，以捕獲意外斷開，這將向IT部門觸發(fā)一個早期警告標志，有可能防止建筑物火災等災難性事件。同時，分類和自動分類智能地分配一個負載所需的確切功率。這是一種非常安全和高效的電力分配方式。就像前面提到的，硅比銅便宜得多，您可以給硅編碼，但您不能給銅編碼。
（來源：安森美半導體，作者：安森美先進方案部美國營銷經理Bob Card）
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