【導(dǎo)讀】根據(jù)美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)（NFPA）的數(shù)據(jù)，電氣和照明設(shè)備是引起美國(guó)商業(yè)火災(zāi)的第三大源頭。典型的根源是老舊或有缺陷的電線，過(guò)載的電路，松動(dòng)的連接，故障保險(xiǎn)絲，不平衡的電力負(fù)荷，以及許多其他電氣或雷擊問(wèn)題。這些都會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱，產(chǎn)生火花，最終點(diǎn)燃火災(zāi)。
根據(jù)美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)（NFPA）的數(shù)據(jù)，電氣和照明設(shè)備是引起美國(guó)商業(yè)火災(zāi)的第三大源頭。典型的根源是老舊或有缺陷的電線，過(guò)載的電路，松動(dòng)的連接，故障保險(xiǎn)絲，不平衡的電力負(fù)荷，以及許多其他電氣或雷擊問(wèn)題。這些都會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱，產(chǎn)生火花，最終點(diǎn)燃火災(zāi)。
主電源通過(guò)三根絕緣銅線傳輸長(zhǎng)短距離的交流電： 火線、中性線和接地。火線帶有交流電勢(shì)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(shí)將電路接地。簡(jiǎn)而言之，與保險(xiǎn)絲和斷路器一起，主電源將其銅線總質(zhì)量的33%，即接地線，用于安全。
圖1：2.5 mm2實(shí)心銅質(zhì)電源線的橫截面（左），旁邊是相同比例的23 AWG實(shí)心銅質(zhì)CAT6電纜（右）。
以太網(wǎng)供電（PoE）在電源設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備（PD）之間通過(guò)以太網(wǎng)電纜傳輸短距離（最多 100 米）直流電。根據(jù)PoE標(biāo)準(zhǔn)，最多使用八根銅線來(lái)傳輸直流電，包括返回路徑。簡(jiǎn)而言之，PoE并沒(méi)有將任何銅線用于安全。從道理和架構(gòu)上講，PoE標(biāo)準(zhǔn)將安全控制從銅線（主電源）轉(zhuǎn)移到硅上。這里有兩個(gè)好處：硅比銅便宜得多，而且您可以給硅編碼。但您不能對(duì)銅進(jìn)行編碼。
2-Pair電源對(duì)比4-Pair電源
以太網(wǎng)使用RJ45連接器，它有八個(gè)觸點(diǎn)。這些觸點(diǎn)被分為四個(gè)差分（diff）對(duì)（圖2）。在10BASE-T（10 Mbps）和100BASE-TX（100 Mbps）網(wǎng)絡(luò)中，四個(gè)差分對(duì)中只有兩個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)，剩下兩個(gè)差分對(duì)沒(méi)有使用。在千兆以太網(wǎng)（1Gbps）網(wǎng)絡(luò)中，所有四個(gè)差分對(duì)都用于數(shù)據(jù)傳輸。
利用現(xiàn)有的10/100/1000以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，IEEE 802.3af（現(xiàn)在稱為PoE）提供350毫安/對(duì)，最大57伏，IEEE 802.3at提供600毫安/對(duì)，最大57伏（稱為PoE 1），利用這些未使用的線對(duì)提供電力，實(shí)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(duì)2和線對(duì)3上傳輸電力。
B. 替代方案B（PSE），或模式B（PD）在不同的線對(duì)1和線對(duì)4上傳輸電力。
同時(shí)，PoE 2或IEEE 802.3bt使用所有四個(gè)不同的線對(duì)，以960毫安/線對(duì)運(yùn)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(duì)比4-pair電源
IEEE 802.3bt（90 W）分類
以太網(wǎng)聯(lián)盟(Ethernet Alliance)將這四種類型進(jìn)一步劃分為八個(gè)不同的類別，如圖3所示。對(duì)于電源設(shè)備（PSE）來(lái)說(shuō)，每個(gè)PoE 2類別（5-8）按15W功率差別來(lái)劃分，對(duì)于受電設(shè)備（PD）來(lái)說(shuō)，每個(gè)PoE 2類別按11W功率差別來(lái)劃分，更精細(xì)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(gè)不同的階段，如下和圖4所示。
第1階段：檢測(cè)
第2階段：分類
第3階段：?jiǎn)?dòng)
第4階段：運(yùn)行
第5階段：斷開連接
PSE包含一個(gè)與返回電流路徑串聯(lián)的Rsense電阻，用于測(cè)量由PD抽取的電流。PD上還有一個(gè)25k的下拉特征電阻，用于通知PSE進(jìn)行檢測(cè)。
圖4：PoE供電階段(來(lái)源：以太網(wǎng)聯(lián)盟(Ethernet Alliance))
第1階段：檢測(cè)
當(dāng)PSE和PD通過(guò)以太網(wǎng)電纜連接時(shí)，PD向PSE提供一個(gè)25 kΩ的下拉電阻（圖4右）。然后PSE在500毫秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行兩次電流測(cè)量。
1)施加電壓V 2.8 V，并測(cè)量I
2)施加電壓V 10 V，并測(cè)量I
通過(guò)計(jì)算ΔV / ΔI，如果PSE的測(cè)量出的電阻值為從19 KΩ到26.5 KΩ，PSE可以接受檢測(cè)為有效。否則，PSE必須視檢測(cè)為無(wú)效。進(jìn)行差分測(cè)量的好處是，任何周圍的噪聲（產(chǎn)生噪聲的源稱為aggressor，侵害源）對(duì)每次測(cè)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(gè)類別事件或時(shí)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(chǎn)生的類別特征
該圖捕獲了在每個(gè)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(gè)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(gè)時(shí)間事件期間測(cè)量PD的汲電流，以了解PD的類別。
PSE負(fù)責(zé)向線路施加下圖6中描述的電壓，而PD負(fù)責(zé)抽取相應(yīng)的多達(dá)五個(gè)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(dòng)分類
如圖5所示，類別事件1比其他類別事件要長(zhǎng)。這是802.3bt特有的，而802.3at或802.3af則沒(méi)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(nèi)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(dòng)分類。
在PD通電后，PD按其最大功率運(yùn)行約1.2秒。PSE測(cè)量PD的功率，并增加一些余量，這個(gè)新的功率水平就是PSE優(yōu)化之后提供給PD的功率。
自動(dòng)分類優(yōu)化了PSE的功率分配。例如，如果一個(gè)PD在運(yùn)行期間需要最大65 W的功率，該P(yáng)D將向PSE確認(rèn)自己為類別8級(jí)，以保證PD獲得65 W。如果沒(méi)有自動(dòng)分類，PSE將分配90 W，以確保PD獲得65 W。有了自動(dòng)分類，PSE可能只測(cè)量到66.5 W（短電纜長(zhǎng)度，線損大約1.5W），+1.75 W余量=68.25 W配電。和原來(lái)的90W相比 節(jié)省功率21.75 W或25%。雖然這看起來(lái)不大，但如果PSE交換機(jī)有8個(gè)802.3bt端口，自動(dòng)分類可以優(yōu)化每個(gè)端口（根據(jù)線纜長(zhǎng)度不同，線損也不同），可節(jié)省總能效幾百瓦。
第3階段：?jiǎn)?dòng)
在啟動(dòng)階段，PSE負(fù)責(zé)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(dòng)階段，PD負(fù)責(zé)將類別1至類別6的負(fù)載電流限制在400 mA，類別7至類別8的負(fù)載電流限制在800 mA。
第4至5階段：運(yùn)行，斷開連接和維持功率特征(MPS)
電源保持簽名（MPS）是一個(gè)保持運(yùn)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(méi)有斷開連接。如果PSE在每隔400ms后沒(méi)有收到PD的MPS，那么PSE必須斷開PD的電源。
IEE 802.3bt PD應(yīng)用框圖
圖7描述了一個(gè)典型的802.3bt受電設(shè)備（PD）的應(yīng)用圖。從左到右，變壓器將以太網(wǎng)10/100/1000M 數(shù)據(jù)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(cè)下拉電阻，而引腳2和3通過(guò)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(dá)給PSE。引腳6、8、9和10分別通過(guò)外部Rsense和MOS管門極共同控制浪涌和提供過(guò)電流保護(hù)（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(shí)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(dòng)分類，這是802.3bt的一個(gè)新功能。
圖6：802.3bt應(yīng)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(duì)硅編碼
相對(duì)來(lái)說(shuō)，保險(xiǎn)絲、斷路器和接地線對(duì)于防止電氣火災(zāi)沒(méi)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(dòng)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(dòng)物很容易引起電氣火災(zāi)而沒(méi)有任何警告。相比之下，如果PD沒(méi)有每隔400毫秒向PSE提供一個(gè)MPS，PSE就會(huì)自動(dòng)切斷PD的電源。
我們可以很容易地想象，對(duì)PSE進(jìn)行編碼，以捕獲意外斷開，這將向IT部門觸發(fā)一個(gè)早期警告標(biāo)志，有可能防止建筑物火災(zāi)等災(zāi)難性事件。同時(shí)，分類和自動(dòng)分類智能地分配一個(gè)負(fù)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(lái)源：安森美半導(dǎo)體，作者：安森美先進(jìn)方案部美國(guó)營(yíng)銷經(jīng)理Bob Card）
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