工業(yè)4.0以太網(wǎng)PoE供電：通過數(shù)據(jù)線向以太網(wǎng)設(shè)備供電

　　Thomas Brand，ADI公司現(xiàn)場應(yīng)用工程師

　　在過程自動化系統(tǒng)中，必須監(jiān)控和測量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數(shù)。在工業(yè)4.0時代，以太網(wǎng)是一種流行的通信標(biāo)準(zhǔn)。因為以太網(wǎng)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(wǎng)電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電?本文描述了以太網(wǎng)設(shè)備如何同時使用電纜傳輸數(shù)據(jù)和供電。以太網(wǎng)供電(PoE)系統(tǒng)在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并將在未來發(fā)揮重要作用。

　　PoE標(biāo)準(zhǔn)

　　IEEE 802.3以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)中定義了通過Cat-5電纜供電。借助PoE，以太網(wǎng)設(shè)備可以在通過RJ45電纜進(jìn)行實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r獲得供電。PoE標(biāo)準(zhǔn)過去僅限于幾瓦，但更新的PoE技術(shù)支持更高的功率。例如，PoE+允許每個端口高達(dá)25 W的功率，而PoE++(四對以太網(wǎng)供電系統(tǒng))通過使用所有現(xiàn)有的電纜線，功率范圍從70 W到100 W。為了擴(kuò)展PoE標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢并給予原始設(shè)備制造商更大的靈活性，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)，支持最高90 W的用電設(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。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(biāo)準(zhǔn)PoE規(guī)范互操作并向后兼容。然而，由于系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)

　　PoE組件

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

　　圖一. 顯示PoE系統(tǒng)主要組件的框圖。

　　PSE的任務(wù)是像電源一樣輸送電力，而PD接收電力并使用它(負(fù)載)。PSE設(shè)備在通電時有一個簽名過程，以保護(hù)不兼容的設(shè)備在連接時免受損壞。這包括首先檢查PD的特征電阻。僅當(dāng)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(shè)備的功率需求。為此，PSE施加規(guī)定的電壓并測量產(chǎn)生的電流。PD根據(jù)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(wù)是將–48V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)計中，使用一個額外的DC-DC轉(zhuǎn)換器(二極管電橋控制器)。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-to-dc轉(zhuǎn)換器集成到單個低功耗器件中的可能性，從而簡化了設(shè)計。

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

　　根據(jù)IEEE802.3 PoE規(guī)范，PD必須在其以太網(wǎng)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(guān)。圖2顯示了集成隔離式開關(guān)調(diào)節(jié)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?fù)洌�以�? W至90 W功率級的同步操作，較低功率級的傳統(tǒng)PD控制器集成了功率MOSFET，但在較高功率下，驅(qū)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(wǎng)規(guī)范要求與設(shè)備外殼的接地連接電氣隔離，所以系統(tǒng)需要一個用于PSE的隔離控制器芯片組。數(shù)字接口(圖2中的LTC4271in)連接到非隔離端的PSE主機(jī)，而以太網(wǎng)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(wǎng)發(fā)送器連接。通過這種強大的PSE芯片組設(shè)計，可以避免產(chǎn)生隔離電源的額外組件。

　　如果PD側(cè)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(tǒng)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(tǒng)二極管整流與通過二極管電橋控制器驅(qū)動的比較。

　　PoE和LTPoE++等并行開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計和實施。