高能效的乙太網路供電方案解決達100 W功率需求的應用挑戰

網路規模的激增使得相應設備對功率的需求顯著增長。乙太網路是這技術生態系統的關鍵一環。新的乙太網路供電 (PoE) 通用標準 (IEEE 802.bt) 提供高達90瓦的功率，安森美半導體的PoE-PD方案不僅支援新標準的功率限制，還將功率擴展到100 W，解決高功率需求挑戰，用於包括智慧照明、安全防衛攝影、數字標示、電信、銷售點(POS)終端、衛星數據網路等應用，並具備靈活、高性價比和高能效等優勢。

什麼是PoE和IEEE 802.3bt？

PoE是IEEE 802.3af和802.3at標準定義的一種聯網功能。PoE技術可通過乙太網路電纜傳輸電力和數據。透過供電設備(PSE)和受電設備(PD)之間的連接來管理傳輸的電量。在此過程中，PSE根據PoE標準識別PD設備的類型和類別，然後確保其接收適當且安全的電量。

IEEE 802.3bt是新的PoE標準，也稱為「PoE++」，於2018年9月獲批准，相容IEEE 802.3af等現有標準，與現有標準有兩個不同的關鍵點：

1.使用PoE電纜中的所有四對導線增加PSE可提供的輸出功率

2. 透過識別兩種新的設備類型(3類和4類)和四個新的類別(5至8) 來提高能效

    

標準

    

  

功率-PSE輸出

  

  

  

功率-PD輸入

  

  

  

可用於應用的功率

  

(85%能效)

  

    

802.3af  (PoE)

    

  

15.4  W

  

  

  

13  W

  

  

  

11  W

  

    

802.3at  (PoE+)

    

  

30  W

  

  

  

25.5  W

  

  

  

21.6  W

  

    

802.3bt  (PoE++)

    

  

90  W

  

  

  

71.3…90  W

  

  

  

21.6  W…76.5 W

  

安森美半導體最近推出的PoE-PD方案

不斷上升的能源成本、對更小方案的需求、需要符合多個標準及解決受限的預算等等給設計人員提出了一系列挑戰。安森美半導體採用其獨特的高壓製造工藝，開發出更先進的PoE-PD方案以解決挑戰，這些方案在緊湊的空間內以高能效和低熱量運行。

• GreenBridge™四通道MOSFET方案替代二極體橋方案顯著提高PoE能效
  PoE應用中的PD需要一個橋接電路來調節輸入電源的極性，而為PD供電的PSE配備了不間斷電源(UPS)。 簡單的二極體橋設計雖然已成為解決此問題的最流行方法，並且提供了可靠、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體橋的導通損耗成為有待解決的主要問題之一。 安森美半導體針對此問題開發出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整合雙P溝道和雙N溝道MOSFET到一個緊湊、熱性能最佳化的表面貼裝封裝中，採用FDMQ8203設計僅需添加外部驅動和保護電路以驅動和保護MOSFET。經測試，基於FDMQ8203的GreenBridge方案比等效的二極體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方案對比二極體橋方案的功率損耗和能效
  FDMQ8205符合 IEEE802.3at 標準，整合雙N溝道和雙P溝道100 V MOSFET及所需的門極驅動器，無需外部驅動或保護電路，具有市場最低的導通電阻。基於FDMQ8205的GreenBridge方案比傳統二極體橋方案的功率損耗改善10倍，尺寸不到傳統二極體橋方案的1/4，且實現比FDMQ8203更好的熱性能，有助於提高設計的功率密度。
  
  圖2：GreenBridge™ 2方案對比二極體橋方案的功率損耗和能效
  2）符合IEEE802.3bt的PoE-PD介面控制器：NCP1095和NCP1096
  NCP1095和NCP1096符合IEEE 802.3 bt標準，提供達100瓦功率，具有實施PoE介面所需的所有特性，包括檢測、自動分類和限流。NCP1095具有外部導通電晶體，支持自動分類以根據PD類型和分類來優化功率分配。NCP1096提供更高的整合度，內置熱插拔FET電晶體，具有Type 3或Type 4 PoE控制器可提供的最低導通電阻(RDS-on)。安森美半導體提供NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評估板，使設計工程師可以快速評估兩個控制器的運行，然後實施有助於設計流程的物理設計。 它們包括GreenBridge2有源橋、RJ45連接器和區域網路(LAN)變壓器。
     
  圖3：NCP1095/NCP1096及其評估板
  3）100 V N溝道遮罩門極PowerTrench® MOSFET：FDMC8622
  FDMC8622採用先進的PowerTrench® 工藝，結合遮罩門極技術，可實現極低的導通電阻、高功率和高電流處理能力，且採用廣泛使用的表面貼裝封裝，100% 經過 UIL 測試。
  4）DC-DC控制器：NCP1566
  NCP1566 是高度整合的雙模式有源鉗位 PWM 控制器，用於電信和數據通訊應用的下一代高密度、高性能和中小功率級隔離 DC-DC 轉換器。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施輸入電壓前饋。可調節自適應重疊時間基於輸入電壓和負載條件優化系統能效。此控制器整合了實施隔離有源鉗位正向和不對稱半橋轉換器所需的所有必要控制和保護功能。
  5）高壓瞬態抑制、ESD保護：ESD8004
  ESD8004 用於為高速數據線提供針對 ESD 的保護，具有超低電容和低 ESD 鉗位電壓，是保護對電壓敏感的高速數據電路的理想方案。
  為何採用PoE？
  雖然無線聯接提供許多顯著優勢，但技術生態系統中使用的所有設備所需電源和數據要求千差萬別，可能某些設備具有很好的無線聯接能力，但還有一些會得益於PoE的特性和能力，而且PoE提供許多優勢，如：
  •       節省時間和成本：由於不需要電源線，因此節省了安裝時間，減少了成本，且無需合資質的電工。
  •       靈活性：無需靠近電源。 設備可放置在可以運行區域網路(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，支援系統由單個不間斷電源供電。
  •       安全性：比無線更難被駭客入侵或攔截
  •       PoE能夠同時傳輸電力和數據，減少了線束，高效便利
  總結
  新的PoE標準IEEE 802.3bt支持設計人員向PD提供達90 W的功率，開啟更高功率應用的大門，包括智慧照明、安全防衛攝影、數字標示、電信、銷售點(POS)終端、衛星數據網路等應用。安森美半導體提供全系列符合IEEE 802.3bt的PoE-PD方案，還將功率擴展到100 W，並提供大量參考設計和應用注釋，解決能效、尺寸和熱性能等挑戰，使這項技術更容易擴及所有開發工程師，有助於使更多聯接的設備具有保證的互操作性和更高能效。
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