Thomas Brand，ADI公司現場應用工程師

在過程自動化系統中，必須監控和測量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數。在工業4.0時代，以太網是一種流行的通信標準。因為以太網是有線的，而變送器和傳感器通常需要電源，所以問題來了：為什么不使用以太網電纜進行數據傳輸和供電？本文描述了以太網設備如何同時使用電纜傳輸數據和供電。以太網供電（PoE）系統在工業中得到廣泛應用，并將在未來發揮重要作用。

PoE標準

IEEE 802.3以太網供電標準中定義了通過Cat-5電纜供電。借助PoE，以太網設備可以在通過RJ45電纜進行實際數據傳輸的同時獲得供電。PoE標準過去僅限于幾瓦，但更新的PoE技術支持更高的功率。例如，PoE+允許每個端口高達25 W的功率，而PoE++(四對以太網供電系統)通過使用所有現有的電纜線，功率范圍從70 W到100 W。為了擴展PoE標準的優勢并給予原始設備制造商更大的靈活性，PoE制造商正在開發并行標準，為不同的應用提供更優化的方法。例如，ADI公司定義了LTPoE++標準，支持最高90 W的用電設備(PD)功率(表1)。與同類解決方案相比，LTPoE++降低了PoE系統的技術復雜性。LTPoE++的其他特性包括即插即用功能、易于實施以及安全可靠的電源。此外，LTPoE++可與IEEE的標準PoE規范互操作并向后兼容。然而，由于系統損耗和電纜損耗，可用功率略低于額定PD功率，PoE+和PoE+也是如此。

表1. PoE標準

PoE組件

基本上，通過以太網電纜為設備供電需要兩個組件:受電設備和電源設備(PSE)。

圖一. 顯示PoE系統主要組件的框圖。

PSE的任務是像電源一樣輸送電力，而PD接收電力并使用它(負載)。PSE設備在通電時有一個簽名過程，以保護不兼容的設備在連接時免受損壞。這包括首先檢查PD的特征電阻。僅當該值正確(25kΩ)時，PD才會通電。如果PSE檢測到局部放電，它從分類開始；也就是說，確定所連接設備的功率需求。為此，PSE施加規定的電壓并測量產生的電流。PD根據電流水平被分配到一個功率等級。如果一切正常，將提供全部電壓和電流。PD供電后，其任務是將–48V的PoE電壓轉換為適合終端設備的電源電壓。在典型的PD設計中，使用一個額外的DC-DC轉換器(二極管電橋控制器)。它的任務是調整或滿足PD提供的組件的功率要求。較新的IC已經提供了將接口和dc-to-dc轉換器集成到單個低功耗器件中的可能性，從而簡化了設計。

PSE設備在通電時有一個簽名過程，以保護不兼容的設備在連接時免受損壞。這包括首先檢查PD的簽名電阻

根據IEEE802.3 PoE規范，PD必須在其以太網輸入端接受任何極性的直流工作電壓，因此在PD的輸入端前需要兩個二極管電橋。因此，PD也可以在極性相反的情況下工作，與所用的線對無關。圖2顯示了集成隔離式開關調節器的LTPoE++和PoE+兼容PD控制器。LT4276之類的控制器支持正激和反激拓撲，以及2 W至90 W功率級的同步操作，較低功率級的傳統PD控制器集成了功率MOSFET，但在較高功率下，驅動外部MOSFET的選項使PD能夠降低損耗并提高效率。

因為IEEE802.3以太網規范要求與設備外殼的接地連接電氣隔離，所以系統需要一個用于PSE的隔離控制器芯片組。數字接口(圖2中的LTC4271in)連接到非隔離端的PSE主機，而以太網接口(圖2中的LTC4290in)連接到隔離端。這兩個組件通過簡單的以太網發送器連接。通過這種強大的PSE芯片組設計，可以避免產生隔離電源的額外組件。

如果PD側的全橋整流器的兩個二極管由理想二極管代替，則可以提高整個PoE系統的功率和效率。因此，使用并控制MOSFETs，使其像典型的二極管一樣工作。這樣，由于低溝道電阻[RDS (ON)]，正向電壓可以顯著降低。理想的二極管電橋控制器與PD控制器一起管理全橋配置中的四個MOSFETs(圖3)。

圖二. PoE電路示例。

圖3. 傳統二極管整流與通過二極管電橋控制器驅動的比較。

PoE和LTPoE++等并行開發的標準連接智能工廠和建筑，同時提供強大的端到端高功率方法來簡化電源的設計和實施。