單對乙太網路供電開啟新的應用前景

多年來持續採用乙太網路供電 (PoE) 技術，透過乙太網路纜線提供電力，但其傳輸能力受到 100 m 長度的限制。如今，單對乙太網路供電 (SPoE) 技術的興起改變了遊戲規則；這是一種 IEEE 標準化技術，允許使用乙太網路纜線中的單一雙絞線長距離傳輸電力和資料，進而為創新應用開疆闢土。

乙太網路已成熟發展並廣泛用於裝置之間的資料通訊，其使用四對銅雙絞線傳輸資料訊號，並由每一對傳輸一個方向的資料流。使用乙太網路的裝置通常需要獨立電源供應器，這會增加佈線和安裝成本。

乙太網路供電 (PoE) 為擴充乙太網路標準所開發，允許裝置在同一條纜線上接收資料和電力：使用兩對電線傳輸資料，再由另外兩對電線為裝置供電。

PoE 可以在最遠 100 m 的距離內提供高達 90 W 的功率。這促成 PoE 應用，例如 IP 攝影機、無線存取點、VoIP 電話、智慧照明系統等，這些應用可以透過單一纜線進行部署和供電。然而，PoE 除了距離限制之外，還有其他挑戰，包括需要笨重且昂貴的連接器和纜線以處理高電流和電壓、功率損耗、散熱。

SPoE 簡介

SPoE 僅使用單對電線即可承載資料和電力，達到高達 1 Gbps 的數據傳輸率並且在長達 1 km 的纜線上提供高達 52 W 的電力 (圖 1)。其使用更小且符合成本效率的連接器和纜線，可相容於既有的 RJ45 插座。

圖 1：SPoE 系統可傳輸高達 52 W 功率。(圖片來源： Analog Devices)

SPoE 成本更低且更容易實作，因此非常適合工業、汽車、大樓自動化，以及物聯網環境中的各式應用。若要在這些環境中新佈線或僅依賴無線 LAN，可能會不切實際或成本過高。SPoE 提供全面的系統遙測，用於監控能量傳輸狀態、故障檢測、過壓保護。

在工業環境中，SPoE 無需添加本機電源，即可在遠距為感測器和控制裝置供電，因此可簡化網路基礎設施、降低安裝成本、提供中央電源管理。可透過既有乙太網路佈線供電，因此可快速且相對簡單地新增 SPoE 交換器和端點。

SPoE 符合 IEEE 802.3 標準 (IEEE 802.3 cg，用於透過單一雙絞線 (10Base-T1L) 傳輸 10 Mbps 乙太網路)，提供 IEEE 802.3bu 資料線供電 (PoDL) 標準的擴充。PoDL 用於長達 40 m 且電壓為 12 V、24 V、48 V 的系統；SPoE 工作電壓為 24 V 或 55 V，傳輸距離可達 1000 m。

SPoE 非常適合需要中低功率和長距離高數據傳輸率的應用，PoE 因能力不足或成本考量，不適合此類應用。

SPoE 的可能應用包括：

• 營運技術系統：其製程控制和自動化需可靠的通訊和電力傳輸
• 大樓和工廠自動化系統：用以監控和控制環境和機械參數
• 現場儀表 (如感測器和致動器)：能以更高彈性和更低成本部署
• 保全系統 (如門禁控制和監視)：SPoE 能更容易擴大規模
• 交通管理系統：需一致的操作和連線
• 管理物聯網邊緣裝置並為其供電
• 數位看板和戶外照明的遠端供電

SPoE 設計考量

SPoE 使用「幻象電源」技術，將電源訊號疊加在同一對電線上的資料訊號上，需要在纜線的各個末端加上複雜的控制器，用以分離和調節電源和資料訊號。應用還必須考量纜線沿線的功率損耗和散熱；這些因素可能會影響系統的效能和可靠性。

供電設備 (PSE) 控制器提供精細的電源管理和轉換，確保電力傳輸的安全、穩定、高效率。搭配以雙線纜線接收能量的受電裝置 (PD) 控制器。

專為多通道設計的 PSE 控制器可為各種遠端裝置 (如感測器) 供電。以 Analog Devices, Inc. (ADI) 的 LTC4296-1 (圖 2) 為例，此 SPoE 控制器具有 5 連接埠，可透過 5 條線路為最多 5 個負載提供能量，每條線路最長可達 1000 m。此元件使用外部低汲極-源極導通電阻 (R_DS(ON))、N 通道金氧半場效電晶體 (MOSFET) 提供電源，可將壓降降至最低，並且確保應用的耐用性。

圖 2：ADI 的 5 連接埠 LTC4296-1 供電設備 (PSE) 控制器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1 針對 10BASE-T1L 控制器和交換器提供多功能 SPoE、PSE 解決方案，並可與 ADI 的 10BASE-T1L 收發器產品組合組件輕鬆整合，例如 ADIN2111CCPZ-R7 雙連接埠元件，整合一個交換器、兩個具有 MAC 介面和相關類比電路的乙太網路實體層 (PHY) 核心、一個電壓電源監控電路和電源開啟重置 (POR) 電路。此收發器透過序列週邊介面 (SPI) 與各種控制器直接連接。

另一方面，LTC9111RDE#PBF 是 ADI 豐富的 PD 控制器品項之一，工作電壓介於 2.3 V 至 60 V，並提供極性校正功能 (圖 3)。此控制器管理線路傳輸的分類和監控，在分類期間以微功率驅動兩個外部 N 通道 MOSFET 開關，可大量減少儲存電容的需求。外部 N 通道 MOSFET 開關在分級和湧入電流期間，隔離輸出電容與連接器。

圖 3：LTC4296-1 SPoE PSE 控制器適合驅動多達 5 個通道，此處連結至 LTC9111 PD 控制器。(圖片來源：Analog Devices)

LTC9111 系列控制器向 PSE 提供有效的喚醒簽章以要求電源。符合 IEEE 802.3cg 標準的 PSE 和 PD 控制器使用序列通訊分類協定執行分類步驟；PSE 確保 PD 相容，如果相容，則繼續提升連接埠電壓。如果操作的電氣裝置需要 24 V 或 55 V 以外的電壓，則需要使用額外的 DC-DC 轉換器。

ADI 也提供 EVAL-SPoE-KIT-AZ 評估套件，用於評估單一雙絞線乙太網路 (SPE) 纜線上的 10BASE-T1L 資料和 SPoE 電源。此套件涵蓋用於評估 IEEE 802.3cg 10 至 15 SPoE 電源的 LTC4296-1 PSE 控制器和 LTC9111 PD，以及在系統中提供資料的 10BASE-T1L 收發器。

實作 SPoE 應用

產品設計人員需要最佳化其 SPoE 解決方案的功率預算和效率，同時考量纜線長度、直徑、電阻、溫度、環境等參數。

以單一雙絞線平衡電力傳輸和資料傳輸會遇到一些挑戰，例如需確保遠端裝置電力足夠，同時在可能會很長的傳輸距離上保持資料完整性。

在許多 OT 部署中常見透過長纜線供應 24 VDC 電源電壓，這會因為纜線的電阻而有大量損耗。IEEE 802.3cg 標準指定 SPoE 在 24 V 或 55 V 電壓下運作，因此設計人員可以利用接近 60 V 最大安全超低電壓 (SELV) 達到更高電力傳輸效率。

結論

SPoE 是一項新興技術，可透過乙太網路纜線中的單一雙絞線同時傳輸資料和電力。如此可降低網路基礎設施的成本、複雜性和環境影響，並為連接的裝置提供更大的彈性、可擴展性和可靠性。ADI 提供符合 IEEE 802.3cg 標準的 PSE 和 PD 控制器產品組合，可簡化 SPoE 應用的設計和實作，同時具有高效率和低雜訊，因此非常適合需要穩健及可靠連接的工業、汽車、智慧建築系統。