無線網(wǎng)絡架構(gòu)隨時可用，為何我們?nèi)栽谑褂糜芯€連接?好吧，無線連接很方便，但建筑物和家庭中已有數(shù)百萬英哩的有線CAT5e電纜，因此有線連接仍在使用中，而且有線比無線更難被黑客入侵或攔截(企業(yè)網(wǎng)絡如大學通常都是有線的)，較長的有線電纜成本也很低。如果有一幢由磚、石頭和金屬構(gòu)成的建筑物，通常在許多情況下都能獲得良好的無線訊號(5G具有更好的室內(nèi)覆蓋范圍，但完全布署還需時日)，若要接入以太網(wǎng)絡電纜訊號就得穿墻。無線網(wǎng)絡更容易受到其他訊號和無線電波的干擾，但有線電纜通常被屏蔽并提供“即插即用”體驗，并且具有更好的服務質(zhì)量(QoS)。
IEEE 802.3bt標準定義的以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)，允許通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)連接同時向網(wǎng)絡設備供電和傳輸數(shù)據(jù)。此標準于2018年9月27日獲得IEEE-SA標準委員會的批準，顯著增加了通過以太網(wǎng)鏈路傳輸?shù)碾娏Α?
802.3bt系統(tǒng)架構(gòu)
802.3bt系統(tǒng)架構(gòu)使用供電端裝置(Power Sourcing Equipment，PSE)，一種可透過以太網(wǎng)絡電纜為受電裝置(PD)供電的電源控制器。IEEE 802.3bt標準指出：“PD是消耗功率或透過參與PD偵測算法要求電源的裝置;能夠成為PD的裝置或具有從備用電源汲取電力的功能，需要透過電源接口(PI)供電的PD則可能同時從備用電源汲取電力?！钡湫偷腜D包括IP電話、無線接取點、保全攝影機等等從以太網(wǎng)絡電纜接受電力的裝置，PI是PSE或PD與傳輸介質(zhì)之間的機械和電氣接口;這些收錄于IEEE802.3bt標準的“PD PI當前定義”(PD PI Current Definitions)第1.4.324節(jié)中。
以往的PoE標準僅使用以太網(wǎng)絡電纜中8條導線中的4條來傳輸直流電流，IEEE工作小組選擇對802.3bt使用所有8條導線。IEEE Std 802.3bt-2018修正案2 (Amendment 2)指出：“此修正案使用結(jié)構(gòu)化布線設備中的所有4對電線，增加了功率傳輸，從而為終端裝置提供了更大的功率。該修正案還降低了終端裝置的待機功耗，并增加了一種機制來更好地管理可用功率預算?！?
IEEE標準委員會的目標是提高從PSE到PD的電量。提供給PD的這些額定功率水平高達71.3W (有90W供電來自PSE)，同時大大降低了PD休眠時所需的待機功耗。
自動分類功能
IEEE 802.3bt標準的第145.8.8.2節(jié)，對物理層分類提供了可選擇的擴展功能，稱為“自動分類”(Autoclass);啟用此功能后，PSE會確定所連接的PD裝置消耗的實際最大功率。自動分類僅定義單特征PD;有關(guān)單特征(single signature)定義將于下一章節(jié)討論。
當PSE執(zhí)行Autoclass功能時，會在POWER_ON且pd_autoclass為TRUE時量測PAutoclass。本文稍后會提到一個802.2bt的“最壞情況”范例，顯示發(fā)送給PD的功率未達到所需滿功率的情況，如果啟用Autoclass功能就能糾正這種情況。
單特征/雙特征
IEEE 802.3bt提供兩種新的PD拓撲，分別稱為單特征和雙特征(Single-signature/Dual-signature)。單特征PD在兩個線對之間具有相同的分類、維持功率特征(Maintain Power Signature，MPS)和檢測特征，雙特征PD在兩個線對之間具有獨立不同的特征。802.3bt標準透過新添加的連接檢查(Connection Check)實現(xiàn)區(qū)分功能，以識別單特征或雙特征PD鏈接之間的差異。
雙特征PD將需要兩個平行的PD接口，因為在此拓撲中需要兩個不同的線對集(pair sets);每個PSE的電力在每個PD界面之后匯集。這是個成本更高的方案，設計人員可能會選擇成本低一半的單特征方案。舉例來說，雙特征架構(gòu)的保全攝影機其中一個線對與攝影機連接，另一個線對則是與加熱器或平移/變焦馬達相連。
對于來自PSE的每個數(shù)據(jù)對，PD端通常也需要一個變壓器(參考圖1的GB以太網(wǎng)絡，其中Vpd,B可能是10 / 100Base-T)、一個主動橋式整流器、一個802.3bt PD接口控制器和一個DC-DC轉(zhuǎn)換器。蕭特基二極管、電阻器和電容器也可理解為PD附加組件的可能部分。
圖1：802.3bt PD端應用電路圖，安森美半導體的FDMQ8205A橋式整流器和NCP1096 PoE-PD接口控制器。(圖片來源：ON Semiconductor)
圖2顯示，Type 4、Class 8可能消耗的最大功率為71.3W。PSE最低電壓為52V，最壞情況下的支持通道電阻為6.25ohm，1.73A的電流將流經(jīng)電纜。
圖2：最壞情況下的信道為6.25Ohms，負載的橫定功率為71.3W (Class 8)。每條導線1.73A或0.433是可在兼容系統(tǒng)中流動的最高額定電流。(圖片來源：Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017)
PD端的潛在問題以及可行的解決方案
IEEE 802.3bt標準指出：“PD在與電纜的實體連接點是被具體指明的，而因為電壓校正電路、電源效率不彰、內(nèi)部電路與外部接地之間的分離造成的損耗等特性，或是PI連接器之后電路引起的其他特性等并未指明。除非有具體說明，否則為PD定義的限制是在PI上指明，而非PD內(nèi)部的任何一點上?！?
要打造真正耐用的設計架構(gòu)，以下是設計工程師應該考慮的幾個領(lǐng)域：
1. 注意因為PSE和PD之間信道中其他組件(如二極管、變壓器等)引起的電流不平衡(參考圖3)。只要設計工程師意識到這種不平衡，就可以采用創(chuàng)造性的方法來舒緩這種不平衡。這會取決于設計架構(gòu)，一些可靠的規(guī)則是使用良好的接地平面以及承載大電流的寬接地回路。
2. 以太網(wǎng)絡電纜中的線對線間電流不平衡。這個問題電纜供貨商很少測試或提供設計人員線對線不平衡規(guī)格，他們通常只會指明線對內(nèi)的不平衡。
圖3：PD電流不平衡驗證電路。(圖片來源：IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt-2018)
3. 當心電纜發(fā)熱。通?？扇〉么罅康碾娎|發(fā)熱數(shù)據(jù)，但設計人員需要保持溫升控制。IEEE工作小組判定溫升極限值應小于攝氏10度，他們采用300mA電流流經(jīng)所有電纜導線，就像在不失衡的情況下，為每100公尺(m)長度的電纜末端傳送51W功率。設計工程師可嘗試一些方案，例如使用較低電阻的電纜來減少I2R損耗，在每個線束中使用較少的電纜，或僅在電纜線束中部分供電。正確判定確定任何既有電纜耗散(即發(fā)熱)的方法，是使用恒定功率散熱片作為負載，并使用電壓源作為輸入電源。一些電纜發(fā)熱研究會測試2.0A時的電纜線束，因此如果使用24AWG電纜，電纜功率密度為164 mW/m。功率密度是每單位長度電纜耗散的功率，因此：164 mW/m = ((2.0A)2x 4.09 ohms)/100m);通道電阻(RCh)基于24 AWG固態(tài)銅在20℃的電阻率。
圖4：信道是24 AWG UTP，負載為恒定的2.0A。(圖片來源：Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017)
4. 輸送到PD的功率(PD是恒定功率負載)與PSE功率輸出之間存在非線性關(guān)系。PD的功率需求各不相同，PD若需要更大電流意味著電纜中的壓降更高并有IR損耗;PD獲得的電壓低于所需電壓，才需要更大電流。事實證明，在較低電流下使用較高的PD電壓可穩(wěn)定此效果，為安全起見，PSE電壓應以不超過57V為限。
PD測試
如果制造商有開發(fā)板或參考設計，請務必用以打造你的新應用;這些開發(fā)板以恰當?shù)牟季€和接地技術(shù)精心制作、可提供最佳架構(gòu)性能。通常也能從制造商取得Gerber檔，請在設計中使用它們，這些方法將免除對最終設計進行大量測試的需要。
對于設計的生產(chǎn)測試以及在實際系統(tǒng)中的測試也有一些很好的解決方案，如Reach Technology的PoE5 100W PoE測試儀，或RT-PoE5 IEEE 802.3bt以太網(wǎng)絡供電PSE生產(chǎn)測試儀。美國新罕布什爾大學的互操作性實驗室(The University of New Hampshire InterOperability Laboratory)，是提供測試PoE認證的獨家第三方測試機構(gòu)。此外Sifos Technologies擁有支持IEEE 802.3bt PoE的小巧PowerSync分析儀，有助于進行4線對測試。以上解決方案都有助于確保系統(tǒng)的堅固耐用。
結(jié)語
本文旨在介紹PoE和IEEE802.3bt規(guī)格，期望讀者能了解PD和PSE的定義，以及它們在提供恰當訊號和功率傳輸方面的優(yōu)勢與限制，并充分理解該標準及其在PoE系統(tǒng)中的增強功能。而重點如正如本文所強調(diào)的，IEEE 802.3bt標準能讓設計工程師為PD提供更高的功率，以及更多樣化的能源選項。
此外本文還解釋了為什么在無線技術(shù)當?shù)赖氖澜缰幸杂芯€技術(shù)連結(jié)，能帶來強化的安全性、同時提高可預測性和可靠性?，F(xiàn)有的廣泛有線基礎設施皆已布署到位，其環(huán)境干擾遠低于無線環(huán)境，系統(tǒng)成本更低、QoS更高。讀者也能從前面的介紹中了解設計802.3bt標準PD時需要考慮的重點，以及系統(tǒng)測試方法，才能避免潛在缺陷、實現(xiàn)耐用可靠的系統(tǒng)設計成果。
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