互联的设备依赖于两个核心功能，即通信回传和电源。对于物联网(IoT)设备，经常会出现三个核心问题：电源、通信和安全性。像WiFi这样的无线技术已在市场上引起了人们的关注多年，但却为这三个问题困扰。无线电池供电的设备需要定期充电，WiFi的频段饱和。这是当今两个常见的问题。较大的功率需求需要主电源连接，这使安装点复杂并受到限制。
以太网供电(PoE)经现有以太网基础设施提供灵活性、可靠性、安全性和电源来解决这些问题。自从2003年由IEEE首次发布以来已取得了飞跃性的发展。最新的IEEE 802.3bt批准使其成为市场上的佼佼者，通过Cat5/Cat6电缆提供10G-BASE-T和60W至90W的功率。
提升的功率
最初，Type 1电源设备（或PSE）只能提供最高15.4 W的功率，Type 2增加了一倍，达到30 W。现在，2018年9月发布的Type 3和Type 4的功率分别达到60 W和90 W。这打开了启用互联设备世界的大门，这些设备包括无线和蜂窝基站、平移倾斜变焦（PZT）和半球摄像机、电视、交互式显示器和信息站。单根低压电缆同时配以专用高速通信，使布线更少，是物联网（IoT）和工业物联网（IIoT）的智能楼宇维护和安装的理想选择。
以太网供电是有线通信和供电系统，使用现有的以太网网络为端点设备供电。在这些系统中，电源设备（PSE）经由八根电线提供电源，这些电线布置成四对双绞线（Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a）电缆，采用RJ45型连接器连接到受电设备（PD）。PSE向端点提供高达57 V的电压。由于该电压小于60 V，因此符合安全特低电压指令（SELV），使电气安全，并且不需要有资质的电工或掩埋电缆，从而简化了安装和维护。该标准将每个端口的功率限制为90W，使这成为以太网电缆传输的最大功率。
该标准最初定于2017年发布，在正式发布之前不断更新，以确保与以前的版本兼容。PoE规范的最新更新IEEE 802.3bt引入了Type 3和Type 4电源设备（PSE）和受电设备（PD）。为了提供更高的电流，新标准允许同时使用两种功率模式（模式A和模式B），通常称为4对或4PPOE，经由4对而不是Type 1和Type 2供电。
添加的3类，即5至8类，具有改进的相互识别过程和自动分类功能。此更新还带来了更低的待机功耗，并支持10G-BASE-T和PoE。
用PoE设计
设计受电设备时，要考虑许多功能，包括运行模式、PD检测和分类。为了避免损坏非PoE设备，PSE必须在提供电源之前检测是否已连接受电设备。使用有效特征检测PD模式，并在受电设备中使用25kΩ电阻去实施。当PSE提供两个连续的电压（V1=2.7 V和V2=10.1 V）用于电阻检测时，它记录电流值，确定PD的存在，然后激活为设备供电。图1描绘了启动期间的电阻检测阶段。
图1：启动阶段的波形
在分类阶段，确定受电设备的最大功率要求。连接到PD的PoE控制器的另一个电阻指示功率范围。表1显示了单特征PD的不同类别及其最大平均功率。类别不要与Type混淆，它涉及所连接设备的特定功率。在IEEE 802.3af/at（Type 1和Type 2设备）中，使用了单特征PD。IEEE 802.3bt添加了双特征PD，其中每种模式或替代方案（A和B）使用单独的输入桥式整流器和PD控制器。
可选的分类扩展是自动分类。在“自动分类”中，PSE会测量特定时间段内连接的PD的功耗，从而可以确定PD所需的最大功率。自动分类绝不会使用双特征PD来实现。
表1：单特征PD的最大平均功率
一旦检测到受电设备并确定了类别，它就必须保持电源特征。对于Type 1和Type 2设备，所需的最小功率特征为10mA，占空比为20％。为了使端口保持激活状态，浪费了至少2.31 mA的平均电流。在50 V时，达到115 mW，在更大的部署中很快地相加。对于Type 3和Type 4供电设备，占空比降低到1.875％，这使得每个设备的功率小于10 mW，从而使待机功耗降低了90％。
在网络上存在大量设备的互联照明应用中，严格要求MPS。即使对无线回传、Wi-Fi接入点和安防摄像头等始终在线的设备来说，它也是必需的，即使不那么关键。
PoE模式
功率分配分为三种模式：模式A、模式B（也称为替代A和替代B）和4对。对于10BASE-T/100BASE-TX，在模式A下，电源与数据对1-2和3-6同时传送。模式B由备用对4-5和7-8供电。在1000BASE-T应用（四对）中，模式A和模式B的电力也同时由4对传输。使用标准以太网变压器的中心抽头提取共模电压，然后DC-DC转换器为系统提供稳定的输出电压。
图2所示是Type 1和Type 2应用的模式A和模式B供电。图3描绘了Type 3和Type 4中4对模式的接线。
图2：模式A和模式B PoE功率传输
图3：4对PoE功率传输
在设计使用PoE的设备时，考虑互连电缆很重要。以太网的电缆长度最大为100 m，它具有直流电阻，同时会降低电压并因发热而耗散功率。5类或Cat5电缆是以太网网络中使用的双绞线电缆，用于在PoE网络中供电。它支持高达100 Mhz，适用于10/100/1000BASE-T。类别6或Cat6是对Cat5电缆的改进，并支持高达500 Mhz，适用于10GBASE-T以太网速度。
一根100m的Cat5电缆的直流电阻为12.5Ω，其中Cat6的电缆每100m的直流电阻为7Ω。传输损耗随着差分对中电流的增加而增加。在25 W PD的典型输入电压为50 V的情况下，电流为0.5A。这在Cat5中的传输损耗总计为2.5 W，在Cat6中的传输损耗总计为1.75 W，这些损耗因发热而耗散。对于90 W的设备，此传输损耗在四对之间共享，每对为930 mA，PSE至少为52V。在Cat5中为17.30 W，在Cat6中为2x6.05W。这表明Cat5对于任何应用都是足够的和安全的。
联接
安装时应仔细考虑布线。必须计算电缆长度和设备电源之间的折衷，以提高能效和降低电缆损坏的风险。
Diode Bridge：二极管桥
Total Solution Size：总方案尺寸
图4：GreenBridge方案对比二极管桥
受电设备控制器进行转换，并通过附加的DC-DC转换器调节PD侧的输入电压。二极管桥是用于典型PoE设备的一种低成本方案。这些在低功率设备上就足够了，但是随着功率的增加，这方案变得有问题。在25.5 W，最小42.5 V的情况下，估计0.6 A电流流经二极管桥。每个二极管的正向电压为0.7 V，每个二极管的功率损耗为420 mW。对于90 W系统，现在的电流为3.7 A，每个二极管的功率损耗为2.59W。
MOSFET方法比常规二极管桥改善了导通损耗和能效。安森美半导体的第一代GreenBridge系列集成双P沟道和双N沟道MOSFET（FDMQ8203）系列提供紧凑且热增强的表面贴装封装，可以很好地解决此问题。导通损耗与MOSFET的RDS（ON）值有关。对于25 W系统，在N沟道和P沟道MOSFET的RDS（ON）分别为110mΩ和190mΩ的情况下，计算出耗散功率为115 mW。这是二极管电桥功耗的四分之一。在90W的示例中，3.7 A的导通损耗为354 mW，低至二极管方案的13％。这节省看似相对较小，但是在使用数百个PoE传感器的楼宇管理系统中，这差异可能是显著的。
第二代Quad MOSFET方案（FDMQ8025A）提供更高的额定功率、高能效的桥式整流器以及必要的门极驱动器，采用与第一代相同的小MPL 4.5 x 5mm封装，，和小得多的RDS（ON），N沟道MOSFET仅35mΩ，P沟道MOSFET仅76mΩ。
Power Current Path：电源电流路径
Gate Current Path：门极电流路径
图5：GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案
安森美半导体还提供PoE-PD接口控制器，任何设备都可成为兼容802.3af/at和-3bt的受电设备。NCP1095和NCP1096接口控制器含在PoE系统中运行所需的所有功能，如浪涌阶段的检测、分类、自动分类和电流限制。两个控制器采用内部/外部传输晶体管，支持高达90 W的功率。它们还指示何时可以实施简短的维持电源特征。附加的辅助电源检测支持由PoE或墙式适配器供电。
NCP1095GEVB和NCP1096GEVB评估板使设计工程师可以快速评估两个控制器的运行，然后实施有助于设计过程的物理设计。它们包括GreenBridge2有源桥、RJ45连接器和局域网(LAN)变压器。
图6：NCP1095GEVB/NCP1096GEVB评估板
总结
最新批准的IEEE 802.3bt以太网供电标准为更多耗电设备打开了市场，为性能更高的应用开启了大门。功耗的增加带来了新的挑战，可以采用安森美半导体的精妙的PoE-PD方案来解决，该方案集成GreenBridge有源桥Quad MOSFET和易于实施的PoE-PD控制器。这些降低了新产品的风险并缩短了上市时间，使以太网供电成为物联网领域的重要市场竞争因素。