电源和联接是物联网 (IoT) 的主要挑战,会影响各种电气和电子设备。以太网供电 (PoE) 的新标准可以同时解决这两大挑战,从而可以在网络边缘进行更多处理,并提高最新联接系统的性能。

 

物联网全都关乎联接。将传感器、执行器和监控系统联接到“云”,可以汇总从世界任何地方访问的数据。分析这些数据可以早期识别潜在的问题,提供优化系统并降低能源成本的新方法。在一条电缆中结合数据和联接性可以使整个过程更高效。

 

虽然较小的设备可以由电池供电并使用无线联接,但在有电噪声的工厂环境中,可靠性可能是个问题。随着 IoT 端点变得越来越耗电和越来越大数据量,它们将需要可靠的电源和数据联接。但是,将所有这些数据反馈回云,在所需的数据带宽以及对于实时应用而言涉及的延迟方面都有其自身的挑战。如果每个 IoT 设备都需要同时高速访问另一端的云服务器,则会造成巨大的瓶颈。

 

解决此问题的一种方法是在靠近终端设备的地方处理更多数据,即所谓的“边缘计算”。这涉及本地分析数据,并将汇总结果发送回中央服务器。但这种级别的处理还要求在网络边缘增加功率。以太网供电是能够解决此问题的一项关键技术,它由承载数据的同一条以太网电缆供电,无需单独联接。对于某些功率要求不高的联网设备,例如用于视觉检查和监视生产线的摄像机,这效果很好。PoE 越趋用于为更多类型的边缘计算系统提供电源和数据。

 

这由新标准支持,该标准将输出功率提高到 90 W。IEEE 802.3bt 标准的这功率水平将赋能新型的 IoT 端点。这些将包括更精密的互联照明、更高分辨率的数字标牌、具有平移、缩放和倾斜 (PZT) 及散热良好的全功能安防摄像机,甚至包括运行机器学习算法以进行图像分析和对象识别的边缘服务器。接收功率的设备按其所需的功率分级,如表 1 所示。

 

表 1:PoE 受电设备 (PoE-PD) 按所需功率分级

 

新版标准将为某些现有应用带来好处,例如向 IP 电话中添加高清视频会议,同时也将为边缘计算开辟全新的机会。这是整个 IoT 演进中越来越重要的部分,尤其是工业 4.0;为靠近设备的传感器和执行器增加更多的处理功率。

 

无线网关是边缘计算的重要组成部分。这些设备聚集了整个工厂中来自传感器和执行器的信号,但是并没有将所有原始数据发送到云端,而是在本地进行处理。在本地处理的需求不断增长,尤其是在使用机器学习来提高生产率的地方。除了监视警报和阈值违例的数据外,这些网关现在还存储数据并识别信息流中的“隐藏”模式。这种分析可以确定长期趋势,甚至可以预测哪些设备可能需要预测性维护。结果被发送到集中式服务器,成为用户数据仪表板的一部分。

 

这边缘处理级需要更高性能的处理器和加速器;比仅处理简单控制算法的微控制器消耗更多的功率。最新的 802.3bt 系统的 90 W 能力比以前的 PoE 标准显著扩展功率范围,可以解决这问题,从而为在网络边缘运行精密算法开辟可能性。更高的功率还对网络上的其他设备产生有利影响,从而能由单个以太网交换机为许多低功率设备供电。随着越来越多的设备联网,许多应用在电源方面将有更多选择,例如互联照明系统中的 LED 灯。

 

PoE 将设备分类为供电设备 (PSE) 或受电设备 (PD)。而且有两种 PSE,一种是由电缆供电和通信,另一种是简单地提高功率。端点 PSE 是内置 PoE 功能的以太网数据交换机,而中跨 PSE 可以放置在交换机和 PD 之间以向链路输入额外的功率。插入一个 Midspan PSE,这还支持添加电源到任何以太网链路,甚至没有 PSE 交换机的以太网链路。

 

在规范的早期版本中,提供给 PD 的功率是恒定的,而不管它实际需要多少。802.3bt 规范的一个关键开发是自动分类 (Autoclass) 功能,使 PD 能够告知 PSE 实际需要多少功率。采用这种方式,Autoclass 更高效地管理可用功率,PSE 可支持更多 PD。我们可按类型定义将其与早前规范经由可用连接管理功率的方式进行比较。

 

Type 1 PoE 使用 IEEE 802.3af 标准,经由两对电缆提供最大 15.4 W 功率到端口。这提供 12 W 功率给网络电话 (VoIP) 、传感器,带有两个天线的无线接入点或不带平移、倾斜或缩放功能的静态摄像机等设备。

 

Type 2 也称为 PoE +,基于 IEEE 802.3at,也经由两对电缆提供 30 W 到以太网端口。这适用于平移、倾斜或缩放的更复杂的监控摄像机,以及具有六个天线的无线接入点,LCD 显示器,生物识别传感器和功耗高达 25 W 的平板电脑。

 

Type 3 或 PoE ++,使用四对电缆在 IEEE 802.3bt 下为视频会议系统组件和建筑物管理设备提供高达 60 W 的功率。

 

Type 4 将 PoE ++扩展至 90 W,可为设备提供高达 71.3 W 的功率。

 

当支持自动分类时,Type 3 和 Type 4 PSE 可检查链路是否可使用所有四对双绞线电缆,这是在连接时发生的。作为响应,PD 生成两个电源特征之一。单特征显示两对和四对模式都通过整流器连接到同一电源轨,并且所有电气负载共享同一电源轨。在双特征 PD 中,两种模式都采用不同的检测和分类机制连接到个别的 PD 控制器。这说明即使为两对模式供电,仍然可以对四对模式进行检测和分类。这采用单特征 PD 是不可能实现的。新标准还支持较低的待机功耗阈值。先前的 IEEE 802.3at 标准的最低功耗阈值为 130 mW,低于 PD 关断阈值。使用短 MPS(维持电源特性)的 802.3bt 标准的阈值仅为 20 mW,从而大大降低待机功耗。

 

由于 Autoclass 管理提供给端口的功率,它需要确保每个 PD 接收到它所需的功率,这还包括考虑不同电缆长度上发生的任何损耗。为此,PD 必须在首次通电约 1.5 秒内消耗所需的最大功率,PSE 会以此确定 PD 的功率预算(图 1)。

 

图 1:含自动分类功能的 8 级 PD 的启动过程

 

PoE 控制器现在正在兴起,采用外部或集成 MOSFET 支持大功率 PoE。没有集成晶体管的控制器可根据特定应用调整对 MOSFET 的选择。

 

例如,安森美半导体的 NCP1095 PoE-PD 接口控制器支持 IEEE 802.3af、802.3at 和 802.3bt,并集成了实现 PoE PD 所需的所有功能,如浪涌阶段的检测、分类和电流限制。电源由外部导通晶体管提供,控制器具有“电源良好” (power good) 引脚,可确保正确禁用 / 启用相邻的主 DC-DC 转换器。分类结果引脚使控制器支持特定的功率等级,最高可达 8 级。NCP1095 还支持自动分类,并指示何时可实施简短的维持电源特性。另外,一个辅助电源检测引脚使 NCP1095 可用于由 PoE 或壁式适配器供电的应用。图 2 显示了 NCP1095 的功能框图。

 

图 2:NCP1095 的功能框图

 

从两对以太网电缆转向四对以太网电缆供电,需要对 PoE 标准大幅更改,将可用功率提高到 100W。以 Autoclass 添加单特征和双特征使此更高效和可控。IEEE 802.3bt 标准正开辟新的应用用于围绕边缘计算和人工智能的工业控制。更高的功率可赋能更高性能设备,不需要集成或外部 AC - DC 功率级。图 3 说明了使用 NCP1095 如何实现典型的 PoE PD 应用。

 

图 3:使用 NCP1095 的典型 PoE PD 应用

 

有了更多功率,PD 可集成更多特性和功能,如运行越来越复杂的机器学习算法,以监控工厂车间的活动并在潜在问题变得严重之前识别出来。这也减少了发送回云的数据,降低了能源成本和复杂性。