工程師不可不知的IEEE 802.3bt PoE技術

作者 : Riley Beck,安森美半導體(ON Semiconductor)產品行銷經理

乙太網路供電(PoE)是IEEE 802.3af和802.3at標準定義的一種連網功能。 PoE使乙太網路電纜可以透過現有數據連接線同時向網路裝置供電和傳輸資料。IEEE 802.3bt標準已於2018年9月27日獲得IEEE-SA標準委員會批准,可透過乙太網路鏈路傳輸更多電力。本文將討論此標準重要性以及工程師如何利用其潛在優勢。

無線網路架構隨時可用,為何我們仍在使用有線連結?好吧,無線連結很方便,但建築物和家庭中已有數百萬英哩的有線CAT5e電纜,因此有線連結仍在使用中,而且有線比無線更難被駭客入侵或攔截(企業網路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、石頭和金屬構成的建築物,通常在許多情況下都能獲得良好的無線訊號(5G具有更好的室內覆蓋範圍,但完全佈署還需時日),若要接入乙太網路電纜訊號就得穿牆。無線網路更容易受到其他訊號和無線電波的干擾,但有線電纜通常被遮罩並提供「隨插即用」體驗,並且具有更好的服務品質(QoS)。

802.3bt系統架構

802.3bt系統架構使用供電端裝置(Power Sourcing Equipment,PSE),一種可透過乙太網路電纜為受電裝置(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偵測演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,需要透過電源介面(PI)供電的PD則可能同時從備用電源汲取電力。」典型的PD包括IP電話、無線接取點、保全攝影機等等從乙太網路電纜接受電力的裝置,PI是PSE或PD與傳輸介質之間的機械和電氣介面;這些收錄於IEEE802.3bt標準的「PD PI當前定義」(PD PI Current Definitions)第1.4.324節中。

以往的PoE標準僅使用乙太網路電纜中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:「此修正案使用結構化佈線設備中的所有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,並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的這些額定功率水準高達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,對實體層分類提供了可選擇的擴展功能,稱為「自動分類」(Autoclass);啟用此功能後,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徵PD;有關單特徵(single signature)定義將於下一章節討論。

當PSE執行Autoclass功能時,會在POWER_ON且pd_autoclass為TRUE時量測PAutoclass。本文稍後會提到一個802.2bt的「最壞情況」範例,顯示發送給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。

單特徵/雙特徵

IEEE 802.3bt提供兩種新的PD拓撲,分別稱為單特徵和雙特徵(Single-signature/Dual-signature)。 單特徵PD在兩個線對之間具有相同的分類、維持功率特徵(Maintain Power Signature,MPS)和檢測特徵,雙特徵PD在兩個線對之間具有獨立不同的特徵。802.3bt標準透過新添加的連結檢查(Connection Check)實現區分功能,以識別單特徵或雙特徵PD連結之間的差異。

雙特徵PD將需要兩個平行的PD介面,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介面之後匯集。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徵方案。舉例來說,雙特徵架構的保全攝影機其中一個線對與攝影機連結,另一個線對則是與加熱器或平移/變焦馬達相連。

對於來自PSE的每個資料對,PD端通常也需要一個變壓器(參考圖1的GB乙太網路,其中Vpd,B可能是10 / 100Base-T)、一個主動橋式整流器、一個802.3bt PD介面控制器和一個DC-DC轉換器。蕭特基二極體、電阻器和電容器也可理解為PD附加元件的可能部分。

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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介面控制器。
(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的電流將流經電纜。

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圖2:最壞情況下的通道為6.25Ohms,負載的橫定功率為71.3W (Class 8)。每條導線1.73A或0.433是可在相容系統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連接器之後電路引起的其他特性等並未指明。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內部的任何一點上。」

要打造真正耐用的設計架構,以下是設計工程師應該考慮的幾個領域:

1. 注意因為PSE和PD之間通道中其他元件(如二極體、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,就可以採用創造性的方法來舒緩這種不平衡。這會取決於設計架構,一些可靠的規則是使用良好的接地平面以及承載大電流的寬接地迴路。

2. 乙太網路電纜中的線對線間電流不平衡。這個問題電纜供應商很少測試或提供設計人員線對線不平衡規格,他們通常只會指明線對內的不平衡。

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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. 當心電纜發熱。通常可取得大量的電纜發熱數據,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於攝氏10度,他們採用300mA電流流經所有電纜導線,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(即發熱)的方法,是使用恆定功率散熱片作為負載,並使用電壓源作為輸入電源。一些電纜發熱研究會測試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)基於24 AWG固態銅在20℃的電阻率。

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圖4:通道是24 AWG UTP,負載為恆定的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是恆定功率負載)與PSE功率輸出之間存在非線性關係。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並有IR損耗;PD獲得的電壓低於所需電壓,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

如果製造商有開發板或參考設計,請務必用以打造你的新應用;這些開發板以恰當的佈線和接地技術精心製作、可提供最佳架構性能。通常也能從製造商取得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。

對於設計的生產測試以及在實際系統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乙太網路供電PSE生產測試儀。美國新罕布夏大學的互通性實驗室(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。此外Sifos Technologies擁有支援IEEE 802.3bt PoE的小巧PowerSync分析儀,有助於進行4線對測試。以上解決方案都有助於確保系統的堅固耐用。

結語

本文旨在介紹PoE和IEEE802.3bt規格,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勢與限制,並充分理解該標準及其在PoE系統中的增強功能。而重點如正如本文所強調的,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麼在無線技術當道的世界中以有線技術連結,能帶來強化的安全性、同時提高可預測性和可靠性。現有的廣泛有線基礎設施皆已佈署到位,其環境干擾遠低於無線環境,系統成本更低、QoS更高。讀者也能從前面的介紹中了解設計802.3bt標準PD時需要考量的重點,以及系統測試方法,才能避免潛在缺陷、實現耐用可靠的系統設計成果。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年3月號

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