工业4.0以太网PoE供电：通过数据线向以太网设备供电

Thomas Brand，ADI公司现场应用工程师

在过程自动化系统中，必须监控和测量温度、压力、流速、湿度等重要参数。在工业4.0时代，以太网是一种流行的通信标准。因为以太网是有线的，而变送器和传感器通常需要电源，所以问题来了：为什么不使用以太网电缆进行数据传输和供电?本文描述了以太网设备如何同时使用电缆传输数据和供电。以太网供电(PoE)系统在工业中得到广泛应用，并将在未来发挥重要作用。

PoE标准

IEEE 802.3以太网供电标准中定义了通过Cat-5电缆供电。借助PoE，以太网设备可以在通过RJ45电缆进行实际数据传输的同时获得供电。PoE标准过去仅限于几瓦，但更新的PoE技术支持更高的功率。例如，PoE+允许每个端口高达25 W的功率，而PoE++(四对以太网供电系统)通过使用所有现有的电缆线，功率范围从70 W到100 W。为了扩展PoE标准的优势并给予原始设备制造商更大的灵活性，PoE制造商正在开发并行标准，为不同的应用提供更优化的方法。例如，ADI公司定义了LTPoE++标准，支持最高90 W的用电设备(PD)功率(表1)。与同类解决方案相比，LTPoE++降低了PoE系统的技术复杂性。LTPoE++的其他特性包括即插即用功能、易于实施以及安全可靠的电源。此外，LTPoE++可与IEEE的标准PoE规范互操作并向后兼容。然而，由于系统损耗和电缆损耗，可用功率略低于额定PD功率，PoE+和PoE+也是如此。

表1. PoE标准

PoE组件

基本上，通过以太网电缆为设备供电需要两个组件:受电设备和电源设备(PSE)。

图一. 显示PoE系统主要组件的框图。

PSE的任务是像电源一样输送电力，而PD接收电力并使用它(负载)。PSE设备在通电时有一个签名过程，以保护不兼容的设备在连接时免受损坏。这包括首先检查PD的特征电阻。仅当该值正确(25kΩ)时，PD才会通电。如果PSE检测到局部放电，它从分类开始;也就是说，确定所连接设备的功率需求。为此，PSE施加规定的电压并测量产生的电流。PD根据电流水平被分配到一个功率等级。如果一切正常，将提供全部电压和电流。PD供电后，其任务是将–48V的PoE电压转换为适合终端设备的电源电压。在典型的PD设计中，使用一个额外的DC-DC转换器(二极管电桥控制器)。它的任务是调整或满足PD提供的组件的功率要求。较新的IC已经提供了将接口和dc-to-dc转换器集成到单个低功耗器件中的可能性，从而简化了设计。

PSE设备在通电时有一个签名过程，以保护不兼容的设备在连接时免受损坏。这包括首先检查PD的签名电阻

根据IEEE802.3 PoE规范，PD必须在其以太网输入端接受任何极性的直流工作电压，因此在PD的输入端前需要两个二极管电桥。因此，PD也可以在极性相反的情况下工作，与所用的线对无关。图2显示了集成隔离式开关调节器的LTPoE++和PoE+兼容PD控制器。LT4276之类的控制器支持正激和反激拓扑，以及2 W至90 W功率级的同步操作，较低功率级的传统PD控制器集成了功率MOSFET，但在较高功率下，驱动外部MOSFET的选项使PD能够降低损耗并提高效率。

因为IEEE802.3以太网规范要求与设备外壳的接地连接电气隔离，所以系统需要一个用于PSE的隔离控制器芯片组。数字接口(图2中的LTC4271in)连接到非隔离端的PSE主机，而以太网接口(图2中的LTC4290in)连接到隔离端。这两个组件通过简单的以太网发送器连接。通过这种强大的PSE芯片组设计，可以避免产生隔离电源的额外组件。

如果PD侧的全桥整流器的两个二极管由理想二极管代替，则可以提高整个PoE系统的功率和效率。因此，使用并控制MOSFETs，使其像典型的二极管一样工作。这样，由于低沟道电阻[RDS (ON)]，正向电压可以显著降低。理想的二极管电桥控制器与PD控制器一起管理全桥配置中的四个MOSFETs(图3)。

图二. PoE电路示例。

图3. 传统二极管整流与通过二极管电桥控制器驱动的比较。

PoE和LTPoE++等并行开发的标准连接智能工厂和建筑，同时提供强大的端到端高功率方法来简化电源的设计和实施。