乙太網路供電 (PoE) - 新的 IEEE 802.3bt 標準為 IoT 應用帶來了技術的強化

許多文章和部落格對於乙太網路 (PoE) 技術及其概念都已有所著墨。Digi-Key 的《乙太網路供電介紹》一文即為一例。

本文分析並重點強調了最新的 IEEE 802.3bt 標準為今日的物聯網 (IoT) 世界帶來的新功能，其中的一切 (「物」) 都透過網際網路連線，並因而受到控制與監控。

IEEE 802.3bt 增強功能

首先，802.3bt 標準中最重要的改良就是能向邊緣設備 (受電裝置或 PD) 傳輸更多電力 - 71.3 W，供電設備 (PSE) 側則可輸出 90 W。

其次，此標準支援網路裝置透過 Cat5e 纜線實現高達 10 Gb/sec 的傳輸率。

這兩項關於電力傳輸以及訊號速度的增強功能，讓大量的全新 IoT 裝置能以 PoE 技術來供電，特別是工業物聯網 (IIoT) 的高耗電高速裝置。以下是這些新興應用的部分範例：

• 專業音響
• 數位看板
• 5G 小型基地台無線電裝置 (行動基礎設施：3G、4G、5G 技術)
• 802.11ac 無限存取點 (WAP)
• 高傳輸量無線區域網路 (WLAN)
• 工業存取控制
• 照明
• 智慧家庭
• 大樓／工廠自動化
• 銷售點管理系統 (POS) 終端機
• 導覽自助服務亭
• 附加熱器的戶外 IP 攝影機
• 監視器／筆記型電腦
• 數位天花板照明

IEEE 802.3bt 的新功能

相較於之前的 802.3at 標準，新的 IEEE 802.3bt 標準定義了數項新功能與改良，進而節省電力並提高效率；因此，再度讓更多邊緣設備得以採用 PoE 技術。

原則上，IoT 平台包括四個構造區塊：

• 感應／監測
• 處理 (MCU)
• 連線 (有線或無線)
• 電源管理

IEEE 802.3bt 標準的新功能／改良對於上述的 IoT 電源管理區塊有所助益。下文將進一步探討這些新功能／改良當中的四個項目，包括低維持功率特徵 (MPS)、自動分類、受電裝置的單一／雙重特徵，以及受電裝置的延展供電。

低維持功率特徵 (MPS) - MPS 是受電裝置維持運轉且保持不被供電設備切斷連線所汲取的最小功耗。當 MPS 訊號缺失至少 400 ms 後，供電設備就必須斷開電源，確保斷線的電纜不再帶電。

此外，IoT 應用中幾乎所有的受電裝置都有低功率或休眠模式。這類受電裝置必須汲取較高的電流以保持受電，因而濫用了低功率待機模式的概念。低 MPS 則能因應此問題，其能縮短工作週期以及必須產生功率特徵的時長，以維持電力連結。這項修改使最小待機功率降至十分之一，讓 IoT 邊緣設備得以透過 PoE 供電，同時擁有可接受的待機功率。

IoT 應用中的大量裝置都會採用 PoE，例如 LED 照明，因此降低待機功率相當重要。

自動分類 – 自動分類讓供電設備得以向受電裝置分配電源供應預算，以進行最佳化。本質上，供電設備會在整個給定期間內「測量」乙太網路纜線的損耗以及連線中受電裝置的功耗，進而「確知」要向此受電裝置提供的「實際」電力，而不是根據給定的受電裝置類別提供較高的「指定」電力。這讓相同的供電設備可以為更多受電裝置供電，因此可以驅動更多 IoT 邊緣設備。

受電裝置的單一／雙重特徵 – IEEE 802.3bt 標準支援兩種受電裝置結構：單一特徵受電裝置與雙重特徵受電裝置。供電設備必須同時支援單一與雙重特徵受電裝置。

雙重特徵裝置能適用於至多要求和單一特徵裝置具有相同最大功率位準的應用，並且對於具備不同的獨立負載配置提供額外的彈性。其中一個範例就是需要和加熱器或冷卻風扇一起供電的戶外監視攝影機，以便控制極端的溫度條件。此外，再如配有備援電路的 IIoT 應用，為確保可靠性與安全性而採用非同步的交替供電。

圖 1 展示了單一／雙重特徵的概念。

圖 1：單一／雙重特徵概念 (圖片來源：Microchip)

更多關於 IEEE 802.3bt 雙重特徵受電裝置的技術資訊，請見乙太網路聯盟 (EA) 網站。

受電裝置的延展供電 – IEEE 802.3bt 標準將供電設備可輸出的最大功率定為 90　W，而受電裝置可接收的最大功率定為 71.3 W。這種從供電設備到受電裝置的功率減少，考量的是乙太網路標準將纜線最大長度定為 100 m，而在此纜線全長中的最大損耗為 19 W。在新的 IEEE 802.3bt 標準下，受電裝置可以測量纜線電阻，計算纜線中的功率損耗，並且提供足夠高的功率以補償在 100 m 纜線中「浪費的」19 W 最大功率。如果從受電裝置到供電設備的距離不足 100 m，則受電裝置可接收高於 71.3 W 的功率。例如，若纜線長度為 2 至 5 m，則受電裝置可自供電設備接收的功率能幾乎等於供電設備所輸出的 90 W。

IEEE 802.3bt 電源效率改善

雖然 802.3bt 標準沒有明定，然而臨近其批准之際，一些 PoE IC 領導廠商本著電源管理效率以及 IoT 應用需求的精神，已經改進了自家晶片的設計，以因應電源效率問題。

圖 2：PoE 區塊拓樸 (圖片來源：Microchip)

在檢視圖 2 之前，必須先定義供電設備與受電裝置的功能。

供電設備的功能要求可大致摘要如下：

• 偵測有效的受電裝置
• 分類受電裝置的功率能力
• 以 44 V 至 57 V 向受電裝置提供 4 W 至 90 W 的功率
• 執行功率最佳化與分配
• 執行故障監測以及中斷連線 (必要時)
• 在偵測到欠流狀況時斷開適當連接埠的電源
• 提供過壓保護
• 提供開關電路隔離

類似地，受電裝置的功能可摘要如下：

• 提供極性保護
• 提供特徵以供偵測以及正確分類
• 執行功率最佳化
• 提供隔離
• 為 DC/DC 啟動提供選擇性偏壓
• 將 57 V 轉換為應用所需的穩壓供應電壓

如圖 2 所示，來自供電設備的功率會經由乙太網路纜線傳送至受電裝置。接著，受電裝置的二極體橋接器晶片會對纜線電壓進行整流。在 2 線對 PoE 系統中，電壓可以透過數據對或備用對進行輸送，但不能同時進行。在 IEEE 802.3bt 所定義的 4 線對 PoE 系統中，所有線對都有供電。

因此，在受電裝置內需要兩個橋接器 (圖 3)。

圖 3：受電裝置內的兩個橋接器 (圖片來源：Analog Devices/Linear Tech)

傳統的二極體橋接器解決方案有幾個不足之處：

• 纜線壓降所導致的高功率損耗
• 高散熱效能
• 設計上需要額外考量熱能方面的問題

由於上述缺點，在許多 IoT 應用中，即使可以使用傳統二極體橋接器，也會造成許多使用上的問題。

最先由 Microsemi (現在的 Microchip) 推出的 IdealBridge^™，是相比二極體橋接器更有效的解決方案。這個解決方案是以 N 通道 MOSFET 為基礎，並附有控制器的橋接器。

圖 4 所示為雙重傳統二極體橋接器與單一 IdealBridge 之間的差異。

圖 4：雙重傳統二極體橋接器對比單一 IdealBridge™ (圖片來源：Microchip)

IdealBridge 具備以下優勢：

• 完全整合式解決方案，可精簡物料清單 - 節省 PCB 空間並簡化實作
• 自驅動電路，可用於 MOSFET
• 低 R_DS(ON)、低功耗
• 電源效率極大化 – 提供更高的輸出功率與電壓
• 大幅減少散熱，消除熱設計問題，無需散熱片
• 適用於 2 線對與 4 線對 PoE 應用
• 相容於 IEEE 802.3xx 標準

Microsemi/Microchip 推出了使用 PD70224 的第一個 IdealBridge™ 解決方案。來自其他廠商的其他類似解決方案包括 Analog Devices/Linear Tech 的 LT4321、ON Semiconductor 的 FDMQ8205A 單一通道理想二極體 (並非橋接器)，以及 STMicroelectronics 的 PM8805 整合式解決方案 (將 IdealBridge 整合到受電裝置的 IC 晶片)。

結論

最新的 IEEE 802.3bt 標準為 PoE 技術增添了新功能，並且改進了現有的功能。這些功能拓展了可運用 PoE 概念進行連線的邊緣設備範圍，因此能支援許多新的 IoT 應用。

為了支援非 PoE 基礎架構，市面上也提供多種中間解決方案，例如中跨／電源供應器，以及功率分離器。然而，請務必注意，IEEE 802.3bt 是相對新興的標準，並且許多廠商在其 2018 年年底獲得批准以前，都已經在這個領域提供了相關產品。為了運用 IEEE 802.3bt 新功能的優勢並維持廠商之間的互通性，各種零件與產品都必須經過 IEEE 802.3bt 標準認證，並應於規格書中載明。