在製程自動化系統中，必須監測和測量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數。在工業4.0時代，乙太網路是通用通訊標準。由於乙太網路是有線網路，而發送器和感測器通常需要電源，問題就來了：為何不使用乙太網路電纜同時進行數據傳輸和供電？
本文介紹乙太網路裝置如何同時使用電纜傳輸數據和供電。乙太網路供電(PoE)系統在工業中廣泛使用，未來也將發揮重要的作用。
LTPoE++降低纜線供電複雜性
透過Cat-5電纜供電在IEEE 802.3af乙太網路供電標準中進行了定義。PoE標準以前限制在幾瓦以內，但更新的PoE技術可實現更高的功率。例如，PoE+允許每埠功率高達25W，而PoE++(四對乙太網路供電系統)透過使用現有電纜的電線允許70~100W的功率。與此PoE標準並行的是ADI定義的專有標準LTPoE++，該標準定義高達90W的受電設備(PD)功率規範，如表1。
LTPoE++降低了PoE系統與類似解決方案相關的技術複雜性。隨插即用功能、易於實現和安全可靠的電源是LTPoE++的其他特性。此外，LTPoE++還可與IEEE的標準PoE規範交互操作和向下相容。但是，由於系統損耗和電纜損耗，實際可用功率略低於指定的PD功率，PoE+和PoE++也是如此。
PoE受電與供電裝置
透過乙太網路電纜為裝置供電主要涉及兩個元件：受電和供電設備(PSE)，如圖1。PSE負責像電源一樣供電，而PD接收並使用功率(負載)。PSE裝置在通電時有一個簽名過程，以保護不相容裝置在連接時不受損壞。這涉及先檢查PD的簽名電阻。僅當此值正確時(25kΩ)，才會為PD供電。如果PSE檢測到PD，會先開始分類；即確定連接裝置的電源要求。
圖1 PoE系統的主要元件方框圖
為此，PSE將施加規定電壓並測量產生的電流。然後根據電流位準將PD分配至特定功率等級。如果一切正常，將供應全部電壓和電流。一旦為PD供電，PD就要負責將48V的PoE電壓轉換為適合終端裝置的電源電壓。在典型的PD設計中，使用一個附加DC-DC轉換器(二極體橋控制器)。該DC-DC轉換器負責調整或覆蓋PD提供的元件電源要求。更新的IC已經能夠將介面和DC-DC轉換器整合到一個低功率等級的元件中並簡化設計。
根據IEEE 802.3 PoE規範，PD必須透過其乙太網路輸入接受任何極性的直流工作電壓，因此PD的輸入前端需要兩個二極體橋。而不管使用什麼線對，PD都可以使用反極性工作。
PD實現更簡單
有廠商如ADI提供的相關元件，存在符合LTPoE++-、PoE+-和PoE標準、具有整合隔離式開關穩壓器的PD控制器。可以同時用於順向式和返馳式拓撲，以及2~90W的功率等級。與較低功率等級的傳統PD控制器不同，該元件提供驅動外部MOSFET的選項。透過這種方式，PD減少損耗，並提升效率。
由於IEEE 802.3乙太網路規範要求從裝置外殼的接地處進行電氣隔離，隔離式控制器晶片組適合用於PSE。LTC4271代表非隔離側PSE主機的數位介面，而LTC4290在隔離側提供乙太網路介面。這兩個元件透過簡單的乙太網路發射器連接，透過可靠的PSE晶片組設計，可避免使用產生隔離電源的附加元件。
如果以理想二極體取代PD側全橋整流器的兩個二極體，可提升整個PoE(圖2)系統的功率和效率。因此，就像對待典型二極體一樣使用和控制MOSFET。透過這種方式，由於低導通電阻(RDS(on))，正向電壓大幅降低。將二極體電橋控制器和控制器結合，可以全橋配置控制四個MOSFET(圖3)。
圖2 PoE電路示例
圖3 傳統二極體整流與透過二極體電橋控制器驅動
借助PoE，可在為乙太網路裝置供電的同時透過RJ45電纜進行實際數據傳輸。LTPoE++標準支援高達90W的功率，與傳統PoE標準並行。LTPoE++提供的可靠、端到端、高功率PoE解決方案簡化了電源和設計。
ADI工業乙太網路產品Chronous系列。包括即時乙太網路交換器、PHY、協定處理產品，以及完整的網路介面產品。最近，ADI推出兩個可靠的工業乙太網路PHY新產品ADIN1300(速率範圍為10Mbps~1Gbps)和ADIN1200(速率範圍為10~100Mbps)。透過將這些新的PHY和ADI的PoE技術相結合，Chronous產品系列實現了系統級電源和數據解決方案。
(本文作者為ADI現場應用工程師)