高能效的以太網(wǎng)供電方案解決達(dá)100 W功率需求的應(yīng)用挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的激增使得相應(yīng)設(shè)備對(duì)功率的需求顯著增長(zhǎng)。以太網(wǎng)是這技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)。新的以太網(wǎng)供電 (PoE) 通用標(biāo)準(zhǔn) (IEEE 802.bt) 提供高達(dá)90瓦的功率，安森美半導(dǎo)體的PoE-PD方案不僅支持新標(biāo)準(zhǔn)的功率限制，還將功率擴(kuò)展到100 W，解決高功率需求挑戰(zhàn)，用于包括智聯(lián)照明、安防攝像、數(shù)字標(biāo)牌、電信、銷售點(diǎn)(POS)終端、衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用，并具備靈活、高性價(jià)比和高能效等優(yōu)勢(shì)。

什么是PoE和IEEE 802.3bt？

PoE是IEEE 802.3af和802.3at標(biāo)準(zhǔn)定義的一種聯(lián)網(wǎng)功能。PoE技術(shù)可通過以太網(wǎng)電纜傳輸電力和數(shù)據(jù)。通過供電設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)之間的連接來管理傳輸?shù)碾娏?。在此過程中，PSE根據(jù)PoE標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別PD設(shè)備的類型和類別，然后確保其接收適當(dāng)且安全的電量。

IEEE 802.3bt是新的PoE標(biāo)準(zhǔn)，也稱為“PoE++”，于2018年9月獲批，兼容IEEE 802.3af等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)不同的關(guān)鍵點(diǎn)：

1.使用PoE電纜中的所有四對(duì)導(dǎo)線增加PSE可提供的輸出功率

2. 通過識(shí)別兩種新的設(shè)備類型(3類和4類)和四個(gè)新的類別(5至8) 來提高能效

安森美半導(dǎo)體最近推出的PoE-PD方案

不斷上升的能源成本、對(duì)更小方案的需求、需要符合多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)及解決受限的預(yù)算等等給設(shè)計(jì)人員提出了一系列挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體采用其獨(dú)特的高壓制造工藝，開發(fā)出更先進(jìn)的PoE-PD方案以解決挑戰(zhàn)，這些方案在緊湊的空間內(nèi)以高能效和低熱量運(yùn)行。

1）GreenBridge?四通道MOSFET方案替代二極管橋方案顯著提高PoE能效

PoE應(yīng)用中的PD需要一個(gè)橋接電路來調(diào)節(jié)輸入電源的極性，而為PD供電的PSE配備了不間斷電源(UPS)。 簡(jiǎn)單的二極管橋設(shè)計(jì)雖然已成為解決此問題的最流行方法，并且提供了可靠、低成本的方案。 但隨著PD需要更多的功率，由正向壓降引起的二極管橋的導(dǎo)通損耗成為有待解決的主要問題之一。 安森美半導(dǎo)體針對(duì)此問題開發(fā)出GreenBridge方案FDMQ8203 (Greenbridge? 1)和FDMQ8205 (Greenbridge? 2)，可有效減少橋電路中的功率損耗。

FDMQ8203集成雙P溝道和雙N溝道MOSFET到一個(gè)緊湊、熱性能優(yōu)化的表面貼裝封裝中，采用FDMQ8203設(shè)計(jì)僅需添加外部驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路以驅(qū)動(dòng)和保護(hù)MOSFET。經(jīng)測(cè)試，基于FDMQ8203的GreenBridge方案比等效的二極管橋提供更低功率損耗、更高能效、更低工作溫度，PCB面積減半，如圖1所示。

圖1：GreenBridge? 1方案對(duì)比二極管橋方案的功率損耗和能效

FDMQ8205符合 IEEE802.3at 標(biāo)準(zhǔn)，集成雙N溝道和雙P溝道100 V MOSFET及所需的門極驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)或保護(hù)電路，具有市場(chǎng)最低的導(dǎo)通電阻?；贔DMQ8205的GreenBridge方案比傳統(tǒng)二極管橋方案的功率損耗改善10倍，尺寸不到傳統(tǒng)二極管橋方案的1/4，且實(shí)現(xiàn)比FDMQ8203更好的熱性能，有助于提高設(shè)計(jì)的功率密度。

圖2：GreenBridge? 2方案對(duì)比二極管橋方案的功率損耗和能效

2）符合IEEE 802.3bt的PoE-PD接口控制器：NCP1095和NCP1096

NCP1095和NCP1096符合IEEE 802.3 bt標(biāo)準(zhǔn)，提供達(dá)100瓦功率，具有實(shí)施PoE接口所需的所有特性，包括檢測(cè)、自動(dòng)分類和限流。NCP1095具有外部導(dǎo)通晶體管，支持自動(dòng)分類以根據(jù)PD類型和分類來優(yōu)化功率分配。NCP1096提供更高的集成度，內(nèi)置熱插拔FET晶體管，具有Type 3或Type 4 PoE控制器可提供的最低導(dǎo)通電阻(RDS-on)。安森美半導(dǎo)體提供NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評(píng)估板，使設(shè)計(jì)工程師可以快速評(píng)估兩個(gè)控制器的運(yùn)行，然后實(shí)施有助于設(shè)計(jì)流程的物理設(shè)計(jì)。 它們包括GreenBridge2有源橋、RJ45連接器和局域網(wǎng)(LAN)變壓器。

圖3：NCP1095/NCP1096及其評(píng)估板

3）100 V N溝道屏蔽門極PowerTrench^? MOSFET：FDMC8622

FDMC8622采用先進(jìn)的PowerTrench^? 工藝，結(jié)合屏蔽門極技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻、高功率和高電流處理能力，且采用廣泛使用的表面貼裝封裝，100% 經(jīng)過 UIL 測(cè)試。

4）DC-DC控制器：NCP1566

NCP1566 是高度集成的雙模式有源鉗位 PWM 控制器，用于電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的下一代高密度、高性能和中小功率級(jí)隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。它可以配置為帶輸入電壓前饋的電壓模式控制，也可配置為峰值電流模式控制。峰值電流模式控制也可實(shí)施輸入電壓前饋?？烧{(diào)節(jié)自適應(yīng)重疊時(shí)間基于輸入電壓和負(fù)載條件優(yōu)化系統(tǒng)能效。此控制器集成了實(shí)施隔離有源鉗位正向和不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器所需的所有必要控制和保護(hù)功能。

5）高壓瞬態(tài)抑制、ESD保護(hù)：ESD8004

ESD8004 用于為高速數(shù)據(jù)線提供針對(duì) ESD 的保護(hù)，具有超低電容和低 ESD 鉗位電壓，是保護(hù)對(duì)電壓敏感的高速數(shù)據(jù)電路的理想方案。

為何采用PoE？

雖然無(wú)線聯(lián)接提供許多顯著優(yōu)勢(shì)，但技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中使用的所有設(shè)備所需電源和數(shù)據(jù)要求千差萬(wàn)別，可能某些設(shè)備具有很好的無(wú)線聯(lián)接能力，但還有一些會(huì)得益于PoE的特性和能力，而且PoE提供許多優(yōu)勢(shì)，如：

●   節(jié)省時(shí)間和成本：由于不需要電源線，因此節(jié)省了安裝時(shí)間，減少了成本，且無(wú)需合資質(zhì)的電工。

●   靈活性：無(wú)需靠近電源。 設(shè)備可放置在可以運(yùn)行局域網(wǎng)(LAN)電纜的任何地方。

●   可靠性：集中式電源取代了低成本的壁式適配器，支持系統(tǒng)由單個(gè)不間斷電源供電。

●   安全性：比無(wú)線更難被黑客入侵或攔截

●   PoE能夠同時(shí)傳輸電力和數(shù)據(jù)，減少了線束，高效便利

總結(jié)

新的PoE標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3bt支持設(shè)計(jì)人員向PD提供達(dá)90 W的功率，開啟更高功率應(yīng)用的大門，包括智聯(lián)照明、安防攝像、數(shù)字標(biāo)牌、電信、銷售點(diǎn)(POS)終端、衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體提供全系列符合IEEE 802.3bt的PoE-PD方案，還將功率擴(kuò)展到100 W，并提供大量參考設(shè)計(jì)和應(yīng)用注釋，解決能效、尺寸和熱性能等挑戰(zhàn)，使這項(xiàng)技術(shù)更容易廣及所有開發(fā)工程師，有助于使更多聯(lián)接的設(shè)備具有保證的互操作性和更高能效。