借助以太網供電 （PoE） 技術，我們可以通過現有的 CAT5/5e/6 以太網電纜發送數據和供電。PoE 系統已被證明適用于監控攝像頭、家庭/樓宇控制、數字標牌、企業內的 VoIP 電話和 Wi-Fi 接入點等應用。本應用筆記提供有關PoE系統設計的指導，特別關注用電設備（PD）電源子系統。

介紹

PoE 系統由某種形式的供電設備 （PSE） 組成，例如網絡交換機或中跨供電器交換機，以及圖 1 所示的 PD。

圖1.PoE 系統，頂部是供電設備，底部是用電設備。

PoE 有利于減少連接到終端設備的電纜數量。使用單根以太網電纜可簡化安裝，并提供集中式電源管理 – 如果 PSE 具有不間斷電源 （UPS） 電源，PD 可以遠程關閉和打開電源，并且可以在交流停電的情況下提供連續運行。

當然，可以有效地提供給端點的功率量以及該端點與提供電源的網絡交換機的距離是有限制的。指定的最大距離為 100 米（333 英尺）;這是從支持 PoE 的交換機到 PoE PD 的距離。但是，PoE 以太網擴展器可以延長該跨度。

電源使用以太網電纜中的雙絞數據線傳輸。每根以太網電纜都有四對數據線。在千兆以太網（迄今為止最常見的類型）中，所有四對都攜帶數據。可以使用兩對電線供電，如圖2所示。一個稱為備選方案A，另一個稱為備選方案B。

要符合IEEE標準，PD必須同時支持備選方案A和備選方案B，而PSE可以支持備選方案A或備選方案B，或兩者兼而有之。

圖2.PoE 生態系統顯示備選方案 A 和備選方案 B 的電源連接。

IEEE標準規定了可以輸送到端點的功率量：

IEEE802.3af是2003年批準的第一個標準，額定使用以太網電纜中的兩對電線輸出15.4W/端口。在 100m 距離處，這意味著 PD 將獲得 12.95W 的功率。

2009年，IEEE批準了PoE+標準802.3at。有了這個新標準，PD可以在100m處獲得25.5W的功率。該標準向后兼容，因此較舊的PD將與新的PSE配合使用。

IEEE 802.3bt 于 2018 年 9 月獲得批準，可為超過 100 米的 PD 提供 71W 的功率。現在，PSE可以通過單根以太網電纜輸出100W，這有助于將PoE市場擴展到LED照明，大屏幕顯示器等。

由PSE提供并由PD接收的電壓范圍如表1所示。

表 1：由 PSE 提供并由 PD 接收的電壓范圍

PoE 系統設計：PD 電源子系統

通用PD的電源子系統可能如圖3所示。

圖3.PoE PD 電源子系統。頂部：非隔離。底部：孤立。

PD 的電源子系統由一個 PD 接口控制器和一個 DC-DC 轉換器組成，前者接受來自以太網電纜的電源，后者將功率調節至電路功能所需的電源軌。表 2 提供了 PD 可從 PoE 連接器獲取的最大功率量。PD 必須通過 PD 接口控制器的分類對自身進行分類，以便根據其類別接收適量的功率。有關 PD 分類 IEEE802.3bt 標準的更多詳細信息。

表 2：從 PoE 連接器獲取電源

在選擇合適的電源解決方案之前，回答這些問題可以幫助您確定 PD 要求：

您的 PD 需要多大的功率？
了解您的PD所需的最大功率后，選擇合適的類別來滿足此需求。最好不要過度分類您的 PD 功率。其中一個原因是更高的功率會增加電源解決方案的成本。另一個原因是它會減少 PSE 可以分配給連接到同一 PoE 網絡的其他 PD 的剩余可用功率。

是否需要隔離？
PD 和 PSE 在所有可訪問的外部導體之間提供隔離，包括框架接地（如果有）和所有介質相關接口 （MDI） 引線，包括 PD 或 PSE 不使用的引線。需要考慮兩種配電環境，它們需要不同的電氣隔離特性： 環境 A：當局域網 （LAN） 或 LAN 段及其所有相關互連設備完全包含在單個低壓配電系統和單個建筑物內時。符合環境 A 要求的多端口網絡接口設備 （NID） 不需要鏈路段之間的電源隔離。 環境 B：當 LAN 跨越不同配電系統之間的邊界或單個建筑物的邊界時。在這種環境中，具有多個 PSE、PD 或兩者實例的設備應滿足或超過與每個實例關聯的介質連接單元/物理層 （MUA/PHY） 的隔離要求。 簡單來說，如果您的PD是沒有任何外部連接器的單個設備，并且完全封裝在塑料外殼中（例如安全攝像頭，PoE-LED燈泡，低成本IP電話等），則不需要隔離。在這種情況下，選擇非隔離電源解決方案，以簡化和降低成本。

您的PD是否也需要由墻上適配器供電？
例如，IP 電話最有可能具有交流電源適配器輸入，以便在尚不可用 PoE 的建筑物中使用。如果要在 PoE 尚不可用的地方使用 PD，請選擇具有墻上適配器接口功能的 PD 接口。

您的 PD 是否需要低功耗待機模式才能滿足某些機構要求？
越來越多的機構需要綠色電源功能，其中IP電話等設備在空閑時間（白天不使用）和睡眠時間（工作時間之外）消耗盡可能少的電力。選擇具有保持電源簽名 （MPS） 和低功耗休眠模式的 PD 接口控制器，以保證合規性并有助于為更環保的世界做出貢獻。

高效率重要嗎？
高效率可降低功率損耗，從而降低局部放電的散熱要求。 較低的散熱意味著更低的工作溫度，這意味著更高的可靠性。如果您的 PD 需要大量功率才能運行，例如 60W，效率為 80% 的 PD 將需要 60W/80%=75W 的輸入功率，這超過了 71W 的最大 PoE 功率，使其與 PoE 不兼容。 然而，效率為 90% 的 PD 需要 60W/90%=67W 的輸入功率，這很好地屬于 8 類 （71W）。在這種情況下，高效率是必須的。此外，始終希望將 PD 分類為最低功率等級，以便系統中剩余的 PoE 功率可以分配給更多 PD 設備。高效率可以將您的臨界PD提升到下一個更低的功率等級。

選擇 PD 接口控制器

選擇 PD 接口控制器時，請考慮以下重要功能：

符合 IEEE 802.3af/at/bt 標準

1~4型PSE分類指示器或外部墻上適配器指示器輸出

簡化的墻上適配器接口

多事件分類 0–8

智能媒體處理

休眠模式和超低功耗休眠模式

這些功能可以滿足前面提到的大多數效績數據要求。其余要求將由 DC-DC 控制器解決，稍后將對此進行討論。表 3 中的選擇器指南顯示了一些推薦的 PD 接口控制器及其主要特性。

表 3：推薦的 PD 接口控制器

選擇非隔離式 DC-DC 轉換器

如果您的PD不需要隔離，那么高壓降壓轉換器將是滿足DC-DC轉換器需求的合適選擇。效率、總體解決方案尺寸和成本是重要的考慮因素。具有同步整流、寬輸入電壓范圍和高集成度等特性的器件支持這些考慮因素。圖4所示為滿足效率和尺寸要求的非隔離式DC-DC轉換器解決方案示例。這是 3 類 PD。MAX5969B為PD接口，MAX17503為DC-DC降壓轉換器（非隔離）。輸出為 5V/2.5A，峰值效率為 92%。

圖4.3類PD，使用MAX5969B和MAX17503進行非隔離。

圖5提供了另一種非隔離式DC-DC轉換器的示例，該轉換器是使用MAXM15064 uSLIC電源模塊（5V/300mA）的1類解決方案。MAXM15064采用微型uSLIC 10引腳2.6mm×3.0mm×1.5mm封裝。

圖5.1類PD，使用MAX5969B和微型uSLIC電源模塊MAXM15064進行非隔離。

選擇隔離式 DC-DC 控制器

如果您的PD需要隔離，那么反激式轉換器是合適的，可提供大約40W的功率（5類及以下）。能夠最大限度地減少所需元件數量的器件可以節省電路板空間和成本。例如，隔離式反激式控制器不需要光耦合器為輸出電壓調節提供反饋，可以節省多個外部元件以及相關的電路板空間和成本。此外，光耦合器會隨著時間的推移而降低，因此不使用光耦合器也會提高可靠性。

圖6所示為隔離式DC-DC轉換器解決方案的示例。它是 2 類 PD、5V/1A 輸出，可在 12V 至 57V 墻上適配器輸入電壓下工作。該方案使用MAX5969B作為PD接口，MAX17690作為無光耦反激式DC-DC轉換器。

圖6.2類PD，使用MAX5969B和MAX17690隔離，無光耦合器。

為了進一步提高反激式DC-DC轉換器的效率，可以用同步整流代替輸出整流二極管。圖7中的原理圖顯示了一個示例。

圖7.2類PD，使用MAX5969B和MAX17690隔離，MAX17606可選輸出同步FET驅動器，實現最高效率。

對于超過40W的輸出功率，即使反激式轉換器仍然可以正常工作，也建議使用有源鉗位正激轉換器以提高效率。在較高的輸出功率下，效率對于減少PD中的散熱量非常重要。有源箝位正激轉換器由于其軟開關邊沿，還具有較低的電磁干擾（EMI）特征。圖8所示為有源鉗位正激DC-DC轉換器的示例。該轉換器在 700mA 時提供 57V 的隔離輸出電壓，在 91.5% 的峰值效率下總計 40W。

圖8.5類PD，使用MAX5969B和MAX17599隔離高功率，有源箝位正激DC-DC，可實現高效率和低EMI。

結論

隨著越來越多的設備聯網，只需在一根提供連接和電源的以太網電纜上運行它們就是一種方便的選擇。此外，通過集中管理的交換機供電允許其他增強功能，例如遠程開/關和不間斷運行，即使在本地停電的情況下也是如此。

得益于最新的IEEE 802.3bt標準，現在可以通過PoE為更多類型的設備供電。隨著輸送功率的增加，對更高效率和更寬輸入電壓范圍的需求也在增加，以適應復雜的電源系統設計。這需要仔細考慮PD控制器和DC-DC轉換器的選擇，以產生系統使用所需的穩壓。

審核編輯：郭婷