在過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中，必須監(jiān)控和測(cè)量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數(shù)。 在工業(yè) 4.0 時(shí)代，以太網(wǎng)是一種流行的通信標(biāo)準(zhǔn)。 由于以太網(wǎng)是有線的，并且變送器和傳感器通常需要電源，因此出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：為什么不使用以太網(wǎng)電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電呢? 本文介紹以太網(wǎng)設(shè)備如何同時(shí)使用電纜傳輸數(shù)據(jù)和供電。 以太網(wǎng)供電 (PoE) 系統(tǒng)在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，并將在未來(lái)發(fā)揮重要作用。

PoE標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)Cat-5電纜供電的定義見IEEE 802.3以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)。借助 PoE，可以在通過(guò) RJ45 電纜進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)為以太網(wǎng)設(shè)備供電。過(guò)去，PoE 標(biāo)準(zhǔn)僅限于幾瓦，但更新的 PoE 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的功率。例如，PoE+ 允許每個(gè)端口高達(dá) 25 W 的功率，而 PoE++(四對(duì)以太網(wǎng)供電系統(tǒng))使用所有現(xiàn)有電纜線的范圍從 70 W 到 100 W。為了擴(kuò)展 PoE 標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)并為 OEM 提供更大的靈活性，PoE 制造商正在開發(fā)并行標(biāo)準(zhǔn)，為不同的應(yīng)用提供更優(yōu)化的方法。例如，ADI 公司定義了 LTPoE++ 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá) 90 W 的受電設(shè)備 (PD) 功率(表 1) 與同類解決方案相比，LTPoE++ 降低了 PoE 系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜性。即插即用能力、易于實(shí)施以及安全、穩(wěn)健的電源是 LTPoE++ 的進(jìn)一步特性。此外，LTPoE++ 可與 IEEE 的標(biāo)準(zhǔn) PoE 規(guī)范互操作并向后兼容。但是，由于系統(tǒng)損耗和電纜損耗，可用功率略低于指定的 PD 功率，PoE+ 和 PoE++ 也是如此。

表 1. PoE 標(biāo)準(zhǔn)

顯示 PoE 系統(tǒng)主要組件的框圖

PoE 組件

從本質(zhì)上講，通過(guò)以太網(wǎng)電纜為設(shè)備供電需要兩個(gè)組件：受電設(shè)備和供電設(shè)備 (PSE)。

PSE 的任務(wù)是像電源一樣提供電力，而 PD 接收電力并使用它(負(fù)載)。 PSE 設(shè)備在通電時(shí)具有簽名過(guò)程，以保護(hù)不兼容的設(shè)備在連接時(shí)免受損壞。這涉及首先檢查 PD 的簽名電阻。只有當(dāng)這個(gè)值是正確的(25kΩ)時(shí)，PD 才會(huì)被供電。如果 PSE 檢測(cè)到 PD，則從分類開始;即，確定所連接設(shè)備的電源要求。為此，PSE 應(yīng)用定義的電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流。 PD 根據(jù)當(dāng)前電平分配到一個(gè)功率等級(jí)。如果一切正確，將提供完整的電壓和電流。為 PD 供電后，它的任務(wù)是將 –48 V 的 PoE 電壓轉(zhuǎn)換為適合終端設(shè)備的電源電壓。在典型的 PD 設(shè)計(jì)中，使用了一個(gè)額外的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器(二極管橋控制器)。它的任務(wù)是調(diào)整或滿足 PD 提供的組件的功率要求。較新的 IC 已經(jīng)提供了將接口和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器集成到低功率等級(jí)的單個(gè)組件中的可能性，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

PSE設(shè)備在通電時(shí)會(huì)有一個(gè)簽名過(guò)程，以保護(hù)不兼容的設(shè)備在連接時(shí)免受損壞。這包括首先檢查PD的簽名電阻。

由于 PD 必須根據(jù) IEEE802.3 PoE 規(guī)范在其以太網(wǎng)輸入上接受任何極性的直流工作電壓，因此在 PD 輸入之前需要兩個(gè)二極管電橋。因此，無(wú)論使用何種線對(duì)，PD 也可以反極性工作。圖 2 顯示了一個(gè)具有集成隔離式開關(guān)穩(wěn)壓器的 LTPoE++-、PoE+- 和 PoE-兼容 PD 控制器。像 LT4276 這樣的控制器支持正向和反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及 2 W 至 90 W 功率等級(jí)的同步操作。低功率等級(jí)的傳統(tǒng) PD 控制器具有集成功率 MOSFET，但在更高功率時(shí)，可以選擇驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部 MOSFET 使 PD 能夠降低其損耗并提高其效率。

由于 IEEE802.3 以太網(wǎng)規(guī)范要求與設(shè)備外殼的接地連接進(jìn)行電氣隔離，因此系統(tǒng)需要一個(gè)用于 PSE 的隔離控制器芯片組。一個(gè)數(shù)字接口(圖 2 中的 LTC4271)在非隔離側(cè)連接到 PSE 主機(jī)，而以太網(wǎng)接口(圖 2 中的 LTC4290)連接在隔離側(cè)。這兩個(gè)組件通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)發(fā)射器連接。通過(guò)這種穩(wěn)健的 PSE 芯片組設(shè)計(jì)，可以避免產(chǎn)生隔離電源的額外組件。

如果將PD側(cè)全橋整流器的兩個(gè)二極管換成理想二極管，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)PoE系統(tǒng)功率和效率的提升。因此，使用和控制 MOSFET，使其像典型的二極管一樣工作。通過(guò)這種方式，由于低溝道電阻 [RDS (ON)]，正向電壓可以顯著降低。一個(gè)理想的二極管橋控制器與 PD 控制器相結(jié)合，以全橋配置管理四個(gè) MOSFET(圖 3)。

PoE 電路示例

傳統(tǒng)二極管整流與通過(guò)二極管橋控制器驅(qū)

PoE 和并行開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)(例如 LTPoE++)連接智能工廠和建筑物，同時(shí)提供強(qiáng)大的端到端高功率方法來(lái)簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì)和實(shí)施。