能一並搞定供電和傳輸數據的解決方案
發布時間:2020-11-03 來源:亞德諾半導體 責任編輯:lina
【導讀】在過程自動化係統中,必須監測和測量溫度、壓力、流速、濕度等重要參數。在工業4.0時代,以太網是通用通信標準。由於以太網是有線網,而發送器和傳感器通常需要電源,這樣問題就來了:為何不使用以太網電纜同時進行數據傳輸和供電?
本文介紹以太網設備如何同時使用電纜傳輸數據和供電。以太網供電(PoE)係統在工業中廣泛使用,未來也將發揮重要的作用。
PoE標準
通過Cat-5電纜供電在IEEE 802.3af以太網供電標準中進行了定義。PoE標準以前限製在幾瓦以內,但更新的PoE技術可實現更高的功率。例如,PoE+允許每端口功率高達25 W,而PoE++(四 對以太網供電係統)通過使用現有電纜的所有電線允許70 W到100 W的功率。與此PoE標準並行的是ADI公司定義的專有標準 LTPoE++™,該標準定義高達90W的受電設備(PD)功率規範(請參見表1)。

表1. ADI的最新PoE標準
LTPoE++ 降低了PoE係統與類似解決方案相關的技術複雜性。即插即用功能、易於實現和安全可靠的電源是LTPoE++的其他特性。此外,LTPoE++還可與IEEE的標準PoE規範互操作和向後兼容。但是,由於係統損耗和電纜損耗,實際可用功率略低於指定的PD功率,PoE+和PoE++也是如此。
PoE組件
通過以太網電纜給設備供電主要需要兩個組件:受電設備和供電設備(PSE)。

圖1. 顯示PoE係統的主要組件的方框圖。
PSE負責像電源一樣供電,而PD接收並使用功率(負載)。PSE設備在通電時有一個簽名過程,以保護不兼容設備在連接時不受損壞。這涉及先檢查PD的簽名電阻。僅當此值正確時(25kΩ), 才會為PD供電。如果PSE檢測到PD,會先開始分類;即確定連接設備的電源要求。為此,PSE將施加規定電壓並測量產生的電流。然後根據電流電平將PD分配至一個功率等級。如果一切正常,將供應全部電壓和電流。一旦為PD供電,PD就要負責將–48 V的PoE電壓轉換為適合終端設備的電源電壓。在典型的PD設計中,使用一個附加DC-DC轉換器(二極管橋控製器)。該DC-DC轉換器負責調整或覆蓋PD提供的組件的電源要求。更新的IC已經能夠將接口和DC-DC轉換器集成到一個低功率等級的組件中,這就簡化了設計。
根據IEEE 802.3 PoE規範,PD必須通過其以太網輸入接受任何極性的直流工作電壓,因此PD的輸入前端需要兩個二極管橋。因此,不管使用什麼線對,PD也都可以使用反極性工作。
PD實現變得簡單
在ADI的LT4276中,存在符合LTPoE++-, PoE+-和PoE標準、具有集成隔離式開關穩壓器的PD控製器。它可以同時用於正激和反激拓撲,以及2 W至90 W的功率等級。與較低功率等級的傳統PD控製器不同(它也有集成功率MOSFET),LT4276提供驅動外部MOSFET的選項。通過這種方式,PD減少了損耗,提高了效率。
由於IEEE 802.3以太網規範要求從設備外殼的接地處進行電氣隔離,LTC4290/LTC4271 隔離式控製器芯片組適合用作PSE。LTC4271代表非隔離側PSE主機的數字接口,而LTC4290在隔離側提供以太網接口。這兩個組件通過簡單的以太網變送器連接。通過這種可靠的PSE芯片組設計,可避免使用產生隔離電源的附加組件。
如果用理想二極管替換PD側全橋整流器的兩個二極管,可提高整個PoE係統的功率和效率。因此,就像對待典型二極管一樣使用和控製MOSFET。通過這種方式,由於低通道電阻(RDS(ON))。正向電壓大幅降低。將LT4321理想二極管電橋控製器和LT4295 PD控製器結合,可以全橋配置控製四個MOSFET(參見圖3)。

圖2. PoE電路示例。

圖3. 傳統二極管整流與通過二極管電橋控製器驅動。
借助PoE,可在為以太網設備供電的同時通過RJ45電纜進行實際數據傳輸。ADI開發了自己的專有標準LTPoE++,該標準支持高達90W的功率,與傳統PoE標準並行。LTPoE++提供的可靠、端到端、高功率PoE解決方案簡化了電源和設計。
新的Chronous™ 產品係列是ADI創新工業以太網產品係列。它包括實時以太網交換機、PHY、協議處理產品,以及完整的網絡接口產品。ADI推出兩個可靠的工業以太網PHY新產品ADIN1300(速率範圍為10 Mbps至1 Gbps)和ADIN1200(速率範圍為10 Mbps至100 Mbps),由此擴大了Chronous產品係列。通過將這些新的PHY和ADI的PoE技術相結合,Chronous產品係列實現了出色的係統級電源和數據解決方案。

(來源:亞德諾半導體)
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