利用 PoE 技术为 5G 网络中的新一代 IoT 和其他设备供电

时间:2021-05-27 09:03来源:Microchip Technology PoE营销与业务拓展资深经理 Galit Mendelson

摘要:——解决在现有交换机基础设施中通过以太网供电提供最高90W功率的互操作性挑战

新一代5G技术能够提供具有更高速度的先进移动互联网连接,可助力实现各种IoT和大数据应用,从而创造新的商机。这些应用以空前的速度推动了将更多类型的受电设备(PD)连接到以太网网络的需求,这些设备包括IP监控摄像头、802.11ac和802.11ax接入点、LED灯具、5G小型基站以及其他IoT电器。以太网供电(PoE)技术给在5G部署中为这些设备供电带来了诸多优势,通过将供电设备(PSE)和受电设备(PD)的功率限值分别设定为90W和71.3W,最新的IEEE® 802.3bt标准让这种可能性成为现实。

面临的挑战是如何部署支持这项最新一代PoE技术的PD,以便它们能够与现有IEEE 802.3bt标准之前的2对和4对PD协同工作,也就是支持早期符合之前标准的通用PoE(UPOE)和HDBaseT供电(POH)规范的PD。如今,行业已经弥合了这种互操作性差距,可确保符合之前标准和全新IEEE 802.3bt-2018标准的PD能够共用相同的以太网基础设施,而无需更换现有的交换机或布线。
 
通向IEEE 802.3bt之路
自2003年批准第一个PoE标准以来,PoE的应用范围大幅增长,并且在新应用方面不断取得进展。在简化安装、节省CAPEX和OPEX成本以及为全球使用提供统一且安全的电源标准方面,PoE拥有巨大优势。

在新应用中影响PoE使用的主要限制因素是可用功率的大小。尽管15.4W的电源足以满足大多数IP电话和802.11a/b/g接入点的需求,但却不足以为IP视频电话、802.11n和云台变焦控制(PTZ)IP摄像机供电。因此,电气电子工程师协会(IEEE)在2009年发布了IEEE 802.3at标准,规定了功率为30W的PoE电源。

如今,需要更高的功率来为连接到以太网的其他设备(例如PTZ监控摄像头、自助服务终端、POS终端、瘦客户端、802.11ac和802.11ax接入点、小型基站以及联网LED照明)提供支持,而这类设备均可从PoE中受益。为了满足这一需求,新的IEEE 802.3bt标准主要通过利用全部四对结构化布线来提高PoE的最大可用功率。IEEE 802.3bt扩展了在初始协商期间交换的电源分类信息,可实现高效的电源管理功能,支持多个PoE等级,同时还可向后兼容。这些增强功能解决了更高功率和更高效PoE供电系统带来的挑战。

IEEE 802.3bt标准意向征集(CFI)活动于2013年初开始,并于2018年9月获得正式批准。由于新标准通过将PSE和PD的功率限值分别设定为90W和71.3W来拓展PoE的使用场景,因此它不但能够满足现有市场需求,还被普遍认为是PoE市场增长的主要推动因素。

不过,在IEEE 802.3bt实施之前,也有一些同步开展的工作在努力提高PD的供电性能。从IEEE 802.3af-2003 PoE标准开始,能够通过两对5e类(Cat5e)线缆为每个设备提供最高达15.4W的输出功率。IEEE 802.3at-2009标准(也称为PoE+)引入了支持30W输出功率和25.5W负载功率的“Type 2”PSE/PD。后者主要是对第一个标准的扩展。随后,HDBaseT联盟对HDBaseT协议进行了标准化,允许通过Cat5e或更高标准的线缆将HDMI链路扩展到最长100m。2011年,HDBaseT联盟创建了HDBaseT供电(PoH)标准,这项标准将四对线缆的最大供电功率扩展到95W。
下表汇总了IEEE 802.3bt之前的标准:


类型 标准 PSE最小输入功率 PD所能保证的最小输入功率 线缆类别 线缆长度 供电方式
Type 1 IEEE® 802.3af 15.4W 12.95W Cat5e 100m 2对
Type 2 IEEE 802.3at 30W 25.5W Cat5e 100m 2对
PoH PoH 95W 72W-95W 1 Cat5e/6 100m 4对
 
 
注1:如果通道长度已知,则扩展功率容量能够实现最高95W的PD输入功率。
IEEE 802.3bt添加了许多功能。除了引入Type 3和Type 4 PSE/PD以及通过四对线缆工作之外,这项标准还支持单签名和双签名PD结构,并将等级5到等级8添加到了改进的双向认证过程中。只要通道长度已知,就会添加自动分级功能,功率容量也会得到扩展。最后,这项标准还包含低功耗待机功能,并且支持采用PoE的10G-BASE-T。下表给出了在IEEE 802.3bt标准批准后提供的PoE功能。

类型 标准 PSE最小输出功率 PD最小输入功率 线缆类别 线缆长度 供电方式
Type 1 IEEE® 802.3af 15.4W 12.95W Cat5e 100m 2对
Type 2 IEEE 802.3at 30W 25.5W Cat5e 100m 2对
Type 3 IEEE 802.3bt 60W 51W-60W 1 Cat5e 100m 2对或4对0-4级
4对5-6级
Type 4 IEEE 802.3bt 90W 71W-90W 1 Cat5e 100m 4对7-8级
 
 
注1:如果通道长度已知,则扩展功率容量能够实现最高60W(Type 3)和90W(Type 4)的PD输入功率。

IEEE 802.3bt标准的目标之一是符合ISO/IEC 60950中定义的有限电源和安全特低电压(SELV)要求。但是,这种合规性意味着每个端口的功率都不能超过100W。尽管存在这一功率上限,但每个端口100W的功率仍足以满足先前在原有IEEE标准下不支持的应用的需求,这样便能扩展PoE端口部署的潜在数量。

确保互操作性
只有PSE能够(在功率方面)支持PD并且两者均符合标准,IEEE 802.3bt规范便可确保IEEE 802.3bt系统能够自动与传统Type 1和Type 2设备配合工作。如果PD需要更高的功率(IEEE 802.3bt PD)而PSE无法支持该PD(IEEE 802.3af/at PSE),那么PD将保持关闭状态,或者进入开启状态而只消耗来自PSE的可用功率。

最早提供这种互操作性的解决方案示例之一是Microchip的PSE芯片组,它实现了符合之前标准的交换机与符合新IEEE 802.3bt-2018标准的产品之间的互操作。该芯片组基于Microchip的早期PSE芯片组,用于实现已广泛采用的PoH四对供电标准(适用于95W PD)。另外,它也是符合IEEE 802.3bt-2018标准的PoE供电器和中跨产品的核心,可为用户弥合互操作性差距。

通过在PD与现有交换机之间安装符合IEEE 802.3bt-2018标准的PoE注入器和中跨,用户能够为符合之前标准的PD与符合IEEE 802.3bt-2018标准的PD的任意组合供电。通过使用单端口和多端口选项,符合新IEEE 802.3bt标准的交换机也能够为满足之前标准的PD供电。

对于系统开发人员而言,IEEE 802.3af/at/bt PoE芯片组提供了可扩展性,能够将支持符合之前标准和符合IEEE 802.3bt-2018标准的PoE所需的两对和四对系统集成到单板设计中。这些芯片组必须能够均衡整个系统的散热,并且应包含构建PSE设备所需的所有管理器和控制器功能,这些设备可为每个端口提供90W至99.9W的功率,同时为IEEE 802.3bt Type 3(1-6级)和Type 4(7-8级)应用提供最多48个端口的支持。需要额外考虑的是,基于这些芯片组的系统应具有无需更改硬件即可通过软件更新将早期标准升级到IEEE 802.3bt的能力。

开发人员的最后一个担忧是能否保护PD免受反极性连接的影响,并减少提供IEEE 802.3bt Type 4 8级电源所需的电源空间和成本。借助在PoE连接的供电侧所使用的全桥整流器,最新的IEEE 802.3bt解决方案也解决了这一问题。

新的IEEE 802.3bt标准能够通过四对Cat5e线缆及更高标准的线缆提供90W的功率。这一PoE等级预计是已定义的最高级别,因为更高的级别对于当今基础设施中部署的现有线缆和连接器可能并不安全。此标准将取代目前提供60W/75W/95W的所有现有符合之前标准的解决方案,例如UPOE或4PPoE。PoE系统和设备供应商提供了实现这些新标准的路线图,同时也为早期符合之前标准的实现方案(包括支持UPOE和POH规范的实现方案)提供支持。符合之前标准的PD和符合新IEEE 802.3bt-2018标准的PD在合理实现后可以共用相同的以太网基础设施,而无需更换现有的交换机或线缆。

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