在過程自動化系統(tǒng)中，必須監(jiān)控和測量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數(shù)。 在工業(yè) 4.0 時代，以太網(wǎng)是一種流行的通信標準。 由于以太網(wǎng)是有線的，并且變送器和傳感器通常需要電源，因此出現(xiàn)了一個問題：為什么不使用以太網(wǎng)電纜進行數(shù)據(jù)傳輸和供電呢? 本文介紹以太網(wǎng)設備如何同時使用電纜傳輸數(shù)據(jù)和供電。 以太網(wǎng)供電 (PoE) 系統(tǒng)在業(yè)界得到廣泛應用，并將在未來發(fā)揮重要作用。

PoE標準

通過Cat-5電纜供電的定義見IEEE 802.3以太網(wǎng)供電標準。借助 PoE，可以在通過 RJ45 電纜進行實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r為以太網(wǎng)設備供電。過去，PoE 標準僅限于幾瓦，但更新的 PoE 技術可以實現(xiàn)更高的功率。例如，PoE+ 允許每個端口高達 25 W 的功率，而 PoE++(四對以太網(wǎng)供電系統(tǒng))使用所有現(xiàn)有電纜線的范圍從 70 W 到 100 W。為了擴展 PoE 標準的優(yōu)勢并為 OEM 提供更大的靈活性，PoE 制造商正在開發(fā)并行標準，為不同的應用提供更優(yōu)化的方法。例如，ADI 公司定義了 LTPoE++ 標準，該標準支持高達 90 W 的受電設備 (PD) 功率(表 1) 與同類解決方案相比，LTPoE++ 降低了 PoE 系統(tǒng)的技術復雜性。即插即用能力、易于實施以及安全、穩(wěn)健的電源是 LTPoE++ 的進一步特性。此外，LTPoE++ 可與 IEEE 的標準 PoE 規(guī)范互操作并向后兼容。但是，由于系統(tǒng)損耗和電纜損耗，可用功率略低于指定的 PD 功率，PoE+ 和 PoE++ 也是如此。

表 1. PoE 標準

顯示 PoE 系統(tǒng)主要組件的框圖

PoE 組件

從本質(zhì)上講，通過以太網(wǎng)電纜為設備供電需要兩個組件：受電設備和供電設備 (PSE)。

PSE 的任務是像電源一樣提供電力，而 PD 接收電力并使用它(負載)。 PSE 設備在通電時具有簽名過程，以保護不兼容的設備在連接時免受損壞。這涉及首先檢查 PD 的簽名電阻。只有當這個值是正確的(25kΩ)時，PD 才會被供電。如果 PSE 檢測到 PD，則從分類開始;即，確定所連接設備的電源要求。為此，PSE 應用定義的電壓并測量產(chǎn)生的電流。 PD 根據(jù)當前電平分配到一個功率等級。如果一切正確，將提供完整的電壓和電流。為 PD 供電后，它的任務是將 –48 V 的 PoE 電壓轉換為適合終端設備的電源電壓。在典型的 PD 設計中，使用了一個額外的 DC-DC 轉換器(二極管橋控制器)。它的任務是調(diào)整或滿足 PD 提供的組件的功率要求。較新的 IC 已經(jīng)提供了將接口和 DC-DC 轉換器集成到低功率等級的單個組件中的可能性，從而簡化了設計。

PSE設備在通電時會有一個簽名過程，以保護不兼容的設備在連接時免受損壞。這包括首先檢查PD的簽名電阻。

由于 PD 必須根據(jù) IEEE802.3 PoE 規(guī)范在其以太網(wǎng)輸入上接受任何極性的直流工作電壓，因此在 PD 輸入之前需要兩個二極管電橋。因此，無論使用何種線對，PD 也可以反極性工作。圖 2 顯示了一個具有集成隔離式開關穩(wěn)壓器的 LTPoE++-、PoE+- 和 PoE-兼容 PD 控制器。像 LT4276 這樣的控制器支持正向和反激式拓撲結構，以及 2 W 至 90 W 功率等級的同步操作。低功率等級的傳統(tǒng) PD 控制器具有集成功率 MOSFET，但在更高功率時，可以選擇驅(qū)動一個外部 MOSFET 使 PD 能夠降低其損耗并提高其效率。

由于 IEEE802.3 以太網(wǎng)規(guī)范要求與設備外殼的接地連接進行電氣隔離，因此系統(tǒng)需要一個用于 PSE 的隔離控制器芯片組。一個數(shù)字接口(圖 2 中的 LTC4271)在非隔離側連接到 PSE 主機，而以太網(wǎng)接口(圖 2 中的 LTC4290)連接在隔離側。這兩個組件通過一個簡單的以太網(wǎng)發(fā)射器連接。通過這種穩(wěn)健的 PSE 芯片組設計，可以避免產(chǎn)生隔離電源的額外組件。

如果將PD側全橋整流器的兩個二極管換成理想二極管，就可以實現(xiàn)整個PoE系統(tǒng)功率和效率的提升。因此，使用和控制 MOSFET，使其像典型的二極管一樣工作。通過這種方式，由于低溝道電阻 [RDS (ON)]，正向電壓可以顯著降低。一個理想的二極管橋控制器與 PD 控制器相結合，以全橋配置管理四個 MOSFET(圖 3)。

PoE 電路示例

傳統(tǒng)二極管整流與通過二極管橋控制器驅(qū)

PoE 和并行開發(fā)的標準(例如 LTPoE++)連接智能工廠和建筑物，同時提供強大的端到端高功率方法來簡化電源的設計和實施。