工业4.0的以太网PoE供电：通过数据线向以太网设备供电

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。 由于以太网是有线的，并且变送器和传感器通常需要电源，因此出现了一个问题：为什么不使用以太网电缆进行数据传输和供电呢? 本文介绍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) 系统在业界得到广泛应用，并将在未来发挥重要作用。

PoE标准

通过Cat-5电缆供电的定义见IEEE 802.3以太网供电标准。借助 PoE，可以在通过 RJ45 电缆进行实际数据传输的同时为以太网设备供电。过去，PoE 标准仅限于几瓦，但更新的 PoE 技术可以实现更高的功率。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)使用所有现有电缆线的范围从 70 W 到 100 W。为了扩展 PoE 标准的优势并为 OEM 提供更大的灵活性，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，该标准支持高达 90 W 的受电设备 (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。即插即用能力、易于实施以及安全、稳健的电源是 LTPoE++ 的进一步特性。此外，LTPoE++ 可与 IEEE 的标准 PoE 规范互操作并向后兼容。但是，由于系统损耗和电缆损耗，可用功率略低于指定的 PD 功率，PoE+ 和 PoE++ 也是如此。

表 1. PoE 标准

显示 PoE 系统主要组件的框图

PoE 组件

从本质上讲，通过以太网电缆为设备供电需要两个组件：受电设备和供电设备 (PSE)。

PSE 的任务是像电源一样提供电力，而 PD 接收电力并使用它(负载)。 PSE 设备在通电时具有签名过程，以保护不兼容的设备在连接时免受损坏。这涉及首先检查 PD 的签名电阻。只有当这个值是正确的(25kΩ)时，PD 才会被供电。如果 PSE 检测到 PD，则从分类开始;即，确定所连接设备的电源要求。为此，PSE 应用定义的电压并测量产生的电流。 PD 根据当前电平分配到一个功率等级。如果一切正确，将提供完整的电压和电流。为 PD 供电后，它的任务是将 –48 V 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，使用了一个额外的 DC-DC 转换器(二极管桥控制器)。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-DC 转换器集成到低功率等级的单个组件中的可能性，从而简化了设计。

PSE设备在通电时会有一个签名过程，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。

由于 PD 必须根据 IEEE802.3 PoE 规范在其以太网输入上接受任何极性的直流工作电压，因此在 PD 输入之前需要两个二极管电桥。因此，无论使用何种线对，PD 也可以反极性工作。图 2 显示了一个具有集成隔离式开关稳压器的 LTPoE++-、PoE+- 和 PoE-兼容 PD 控制器。像 LT4276 这样的控制器支持正向和反激式拓扑结构，以及 2 W 至 90 W 功率等级的同步操作。低功率等级的传统 PD 控制器具有集成功率 MOSFET，但在更高功率时，可以选择驱动一个外部 MOSFET 使 PD 能够降低其损耗并提高其效率。

由于 IEEE802.3 以太网规范要求与设备外壳的接地连接进行电气隔离，因此系统需要一个用于 PSE 的隔离控制器芯片组。一个数字接口(图 2 中的 LTC4271)在非隔离侧连接到 PSE 主机，而以太网接口(图 2 中的 LTC4290)连接在隔离侧。这两个组件通过一个简单的以太网发射器连接。通过这种稳健的 PSE 芯片组设计，可以避免产生隔离电源的额外组件。

如果将PD侧全桥整流器的两个二极管换成理想二极管，就可以实现整个PoE系统功率和效率的提升。因此，使用和控制 MOSFET，使其像典型的二极管一样工作。通过这种方式，由于低沟道电阻 [RDS (ON)]，正向电压可以显着降低。一个理想的二极管桥控制器与 PD 控制器相结合，以全桥配置管理四个 MOSFET(图 3)。

PoE 电路示例

传统二极管整流与通过二极管桥控制器驱

PoE 和并行开发的标准(例如 LTPoE++)连接智能工厂和建筑物，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。