单对以太网供电开辟了新的应用前景

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-06-26

虽然通过以太网电缆供电的以太网供电技术 (PoE) 已有多年历史，但一直以来只有在 100 米或更短的距离内具有吸引力。现在，单对以太网供电 (SPoE) 改变了游戏规则。SPoE 是一种 IEEE 标准化技术，允许使用以太网电缆中的单对双绞线远距离供电和传输数据，从而为创新应用开辟了新领域。

以太网使用四对双绞铜线传输数据信号，每对铜线传输一个方向的数据流，在设备之间的数据通信中得到了广泛应用。使用以太网的设备通常还需要采用单独电源供电，从而增加了布线和安装成本。

以太网供电 (PoE) 是作为以太网标准的扩展而开发的，通过使用两对电线传输数据，另两对电线为设备供电，从而使设备能够通过同一根电缆接收数据和电源。

PoE 可在最长 100 米的距离内提供高达 90 W 的功率。这催生了 PoE 应用，如 IP 摄像头、无线接入点、VoIP 电话和智能照明系统，这些应用可通过一根电缆进行部署和供电。然而，除了传输距离限制外，PoE 还面临其他挑战，包括需要体积庞大、价格昂贵的连接器和电缆来处理大电流和高电压、功率损耗和散热等问题。

介绍 SPoE

SPoE 仅用一对电线传输数据和提供电源，数据传输速率可达 1 Gbps，传输功率可达 52 W，电缆长度可达 1 千米（图 1），所用的连接器和电缆体积较小、成本较低，且与现有 RJ45 插座兼容。

图 1：传输功率高达 52 W 的 SPoE 系统。（图片来源：[Analog Devices]

SPoE 可降低成本，简化实施，非常适合工业、汽车、楼宇自动化和物联网环境中广泛的应用，在这些环境中，开始新的布线或仅依靠无线局域网要么不切实际，要么成本高昂，要么这两个问题同时存在。这项技术可提供全面的系统遥测功能，用于监控输电状态，进行故障检测和过压保护。

在工业环境中，SPoE 可与远距离为传感器和控制设备供电，但不会增加本地电源，从而简化了网络基础设施，降低了安装成本，以及实现集中化电源管理。SPoE 可通过现有以太网线路供电，使 SPoE 交换机和终端的添加过程快速而相对简单。

SPoE 是 IEEE 802.3 标准的一部分——IEEE 802.3 cg 用于通过单双绞线 (10Base-T1L) 实现 10 Mbps 以太网，是 IEEE 802.3bu 数据线供电 (PoDL) 标准的扩展。PoDL 可用于最长 40 米的系统，电压为 12 V 、24 V 或 48 V；SPoE 可用于最长 1000 米的系统，电压为 24 V 或 55 V。

SPoE 非常适合需要中低功耗、远距离、高数据传输速率的应用，而这对于 PoE 来说是不可行或不经济的。

SPoE 的潜在应用包括：

• 对过程控制和自动化而言，可靠的通信和输电是至关重要的运行技术系统
• 可监控环境和机械参数的楼宇和工厂自动化系统
• 可更灵活、更经济地部署传感器和执行器等现场仪器
• 安全系统，如门禁控制和监控系统、在这些应用中 SpoE 更易于扩展
• 需要持续运行并保持连接的交通管理系统
• 为物联网边缘设备供电并进行管理
• 为数字标牌和户外照明远程供电

SPoE 的设计考虑因素

SPoE 使用“Phantom 电源”技术，在同一对电线上将电源和数据叠加在一起，因此需要在电缆两端安装复杂的控制器，以分离和调节电源和数据信号。应用中还必须考虑到电缆的功率损耗和散热。这两个问题会影响系统性能和可靠性。

电源设备 (PSE) 控制器可实现精密的电源管理和转换，并确保安供电全、稳定和高效。该设备与通过双线电缆接收电源的供电设备 (PD) 控制器配合使用。

为多通道设计的 PSE 控制器可为传感器等各种远程设备供电。例如，Analog Devices, Inc. (ADI) 的 [LTC4296-1]（图 2）是一款 5 端口 SPoE 控制器，可通过五条线路为最多五个负载供电，每条线路长达 1000 米。该器件使用外部低漏源导通电阻 (R DS(ON) ）、N 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 供电，可最大程度地减少压降并确保应用稳定。

图 2：ADI 的 5 端口 LTC4296-1 电源设备 (PSE) 控制器（图片来源：Analog Devices, Inc.）

LTC4296-1 为 10BASE-T1L 控制器和开关提供了一个多功能 SPoE、PSE 解决方案，并可与 ADI 的 10BASE-T1L 收发器组合元件轻松集成（例如 [ADIN2111CCPZ-R7]双端口器件），该器件集成了一个开关、两个以太网物理层 (PHY) 内核（带一个 MAC 接口和相关模拟电路）、一个供电电压监控电路和上电复位 (POR) 电路。收发器可通过串行外设接口 (SPI) 与各种控制器直接连接。

此外，[LTC9111RDE#PBF]是 ADI 推出的几款 PD 控制器之一，工作电压范围为 2.3 V 至 60 V，且具有极性校正功能（图 3）。该控制器管理线路传输的分类和监控，在分类期间以微功耗形式驱动两个外部 N 沟道 MOSFET 开关，以最大限度地降低储能电容器要求。外部 N 沟道 MOSFET 开关在分类和浪涌期间将输出电容与连接器隔离。

图 3：LTC4296-1 SPoE PSE 控制器适用于驱动多达五个通道，此处与 LTC9111 PD 控制器相连。（图片来源：Analog Devices）

LTC9111 系列控制器向 PSE 提供有效的唤醒签名，以请求供电。符合 IEEE 802.3cg 标准的 PSE 和 PD 控制器采用串行通信分类协议执行分类步骤；PSE 确保 PD 兼容，如果兼容，则继续提升端口电压。如果运行的电气设备需要 24 V 或 55 V 以外的电压，则需要使用另外的 DC/DC 转换器。

ADI 还提供 [EVAL-SPoE-KIT-AZ]评估套件，用于评估通过单根双绞线以太网 (SPE) 电缆传输的 10BASE-T1L 数据和 SPoE 功率。该套件采用 LTC4296-1 PSE 控制器和 LTC9111 PD，用于评估 IEEE 802.3cg 10 至 15 类 SPoE 功率，以及在系统中提供数据的 10BASE-T1L 收发器。

实施 SPoE 应用

产品设计人员需要优化 SPoE 解决方案的功率预算和效率，并考虑电缆长度、直径、电阻、温度和环境等参数。

在单根双绞线上同时传输电源和数据时，存在这两者之间的平衡问题，例如既要确保向远程设备提供足够的电源，又要在潜在的长距离上保持数据完整性。

在许多 OT 部署中采用的 24 VDC 常见电源电压下，通过长电缆输电会因电缆电阻而产生大量损耗。IEEE 802.3cg 标准规定，SPoE 的工作电压为 24 V 或 55 V，因此设计人员可以采用接近 60 V 最高安全超低电压 (SELV) 的电压来提高供电效率。

审核编辑 黄宇