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以太网供电的磁性元件
2021年09月16日    阅读量:1810     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

以太网供电 (PoE) 通过长达 100 米的双绞以太网电缆为远程受电设备 (PD) 供电。随着时间的推移,该标准不断发展,现在可以提供高达 71W 的功率,使其适用于各种应用,包括网络路由器和中继器、VoIP 电话、IP 安全摄像头、无线和蓝牙接入点、笔记本电脑和平板电脑充电系统、 LED 照明和控制器,以及各种楼宇自动化设备。本常见问题解答首先概述了 IEEE 802.3 工作组如何将 PoE 定义为以太网标准的一部分中国机械网okmao.com。然后查看实施 PoE 所需的布线,然后讨论 PoE 安装所需的各种磁性组件。需要磁性来提供隔离、过滤、


PoE 设计为在 48Vdc(36 至 57Vdc)的标称电压下运行,在某些实施中增加到 73Vdc。这些标准定义了设备识别的通信协议和 PoE 系统的物理要求。PoE 已经发展到满足向 PD 提供更高功率水平的需求:


IEEE 802.3af–2003 高达 12.95 W

IEEE 802.3at–2009 高达 25.5 W(2 对,中等功率)

IEEE 802.3at–2009 高达 51 W(4 对,高功率)

IEEE 802.3bt–2018 高达 71 W(也称为 4PPoE)

考虑到 100 米长电缆上的功率损耗,每个新版本都向后兼容早期标准,并设置了提供给 PD 的最大功率(图 1)。布线要求也随着电力输送的增加而发展。Cat 5 布线是 Type 3 (60W) 和 Type 4 (90W) PoE 的最低要求。


以太网供电的磁性元件 中国机械网,okmao.com

图 1:PoE 布线要求。(图片:思科)

PoE设备按其在系统中的功能分类:


供电设备(PSE) 通过以太网电缆为受电设备供电,包括端跨设备,如以太网集线器或交换机

受电设备(PD) 是被供电的各种设备。

中跨设备是不具备 PoE 功能的交换机或集线器与一个或多个 PD 之间的电源。中跨设备使传统以太网系统能够进行改造以支持 PoE。

PoE PSE和中跨设备的供电架构分为两种方式;模式 A 和模式 B(图 2)。PSE 最常使用模式 A,而模式 B 常用于中跨设备,但也有例外。



图 2:PoE 模式 A 通常用于端跨 PSE,模式 B 用于中跨供电。(图片:快速布线)

模式 A有时也称为方案 A,使用两对数据引脚 1-2 和 3-6 来传输或接收电源和数据,另外两对 4-5 和 7-8 引脚未使用。


模式 B,也称为备选方案 B,使用引脚 1-2 和 3-6 发送数据。使用数据引脚对 4-5 和 7-8 发送电源。


PoE 需要哪些磁性元件?


磁性元件用于PoE设备中的各种隔离、滤波和电源转换功能。例如,连接到以太网电缆的设备与用于通过该电缆传输或接收数据的任何电路之间需要高度的电气隔离。基本以太网规范要求设备满足以下两种电气隔离测试之一:


1500Vrms 在 50Hz 到 60Hz 持续 60 秒,按照 IEC 60950 的规定应用。

2250Vdc 持续 60 秒,也按照 IEC 60950 的规定应用。

虽然这两个测试可能看起来不一致,但结果证明它们是兼容的。1500Vms 要求相当于 2121 Vdc。通常的做法是将 2250Vdc 隔离设计到 PoE 设备中,满足两种隔离测试。


在信号路径中,中心抽头的 1:1 隔离变压器用于注入电流,共模扼流圈用于滤除 EMI(图 3)。用于发送和接收部分的信号路径隔离变压器通常集成在一个封装中。用于发射和接收部分的共模扼流圈也被整合到一个单一的封装中。在某些情况下,隔离变压器和共模扼流圈都是共同封装的。



图 3:显示各种磁性组件的 PoE 架构。(图片:伍尔特电子)

DC/DC 转换器可能是 PoE 设计中的共模干扰源。这通常需要使用共模扼流圈来抑制来自 DC/DC 转换器开关频率的尽可能多的宽带信号,而不会衰减 PoE 信号。


PoE 应用对 LAN 变压器提出了独特的要求。需要更大的导线横截面来处理功率,并且磁芯必须在存在高 PoE 电流的情况下不易饱和。此外,PoE 共模扼流圈通常采用三线或四线绕组制造,也是为了空洞饱和。在更高级别的 PoE 实施中,这些磁性组件对可以支持更高(双倍)的功率水平。在某些情况下,PoE 磁性元件将信号路径变压器和共模扼流圈集成到单个封装中,以实现最紧凑的设计(图 4)。



图 4:PoE 信号路径磁性元件包括中心抽头 1:1 隔离变压器,用于注入电流和共模扼流圈以滤除 EMI。(图片:线艺)

带有支持 PoE 的集成磁性元件的以太网插孔可以显着简化 PCB 设计工作并简化整个系统中的外围设备供电,同时仍然满足以太网数据传输要求。带有集成变压器和共模扼流圈的 RJ45 插孔(和多个 RJ45 的组件)有多种配置(图 5)。有些与工业以太网系统兼容,例如 EtherCAT 或 Profinet。



图 5:带有集成磁性元件的 PoE RJ45 插孔可用于多种封装配置。(图片:伍尔特电子)

提供支持反激式、正激式和有源钳位 DC/DC 转换器拓扑结构的 PoE 电源变压器。反激更适用于更高电压/更低电流的输出设计,并且更具成本效益,同时使用正向和有源钳位拓扑可以实现更高的效率(图 6)。一些 PoE 电源变压器支持同步整流。



图 6:用于 PD 中的有源钳位正向转换器的 PoE 变压器可处理高达 120W 的功率,并包括一个 12Vdc 辅助绕组。(图片:线艺)

通常,反激式转换器为相对简单的 PD 供电,例如基本的 IP 摄像机。同时,可能需要前向拓扑来支持更多功能,例如倾斜/平移/变焦 IP 摄像机。两种拓扑都可以支持 PoE 的隔离要求。反激式转换器为功耗低于 6A 的 PD 提供了成本最低的解决方案。通过适当的磁性,它们可以产生多个输出电压。反激式 DC/DC 转换器的一个优点是不需要输出电感器。尽管如此,较高的输出纹波电流会导致较高的输出电容器成本,并且由于较高的峰值电流和 RMS 电流而导致效率不高。


相比之下,正向拓扑是消耗超过 6A 电流的 PD 成本最低的解决方案。它比反激式成本更高,因为它需要额外的组件,包括输出储能电感器和额外的整流器件(二极管或同步 MOSFET)。作为更高的成本和复杂性的回报,正向转换器具有低输出纹波电流。它使用较小的电容器,并且这种拓扑提供更高的效率,因为较低的峰值和 RMS 电流可以利用同步整流。


DC/DC 转换器内部的 PoE 变压器与 LAN 变压器一样是隔离的,通常为 2,250Vdc 初级到次级隔离;按照 IEEE 802.3 的要求分离 SELF 和 TNV-1 电路。PoE dc/dc 转换器往往是紧凑型设备,开关频率为 200 至 300kHz,有时甚至更高。一些 PoE 变压器具有分开的初级和次级绕组,以最大限度地减少漏电感。


概括


PoE 消除了多个交流/直流电源,降低了安装成本并提高了安装灵活性,支持在用于数据传输的同一网络基础设施上监控和控制 PD。通过 PoE,可以远程打开或关闭 PD 或重置 PD。需要各种磁性元件来在 IEEE 802.3 中指定的 PoE 设备中提供电气隔离、过滤和电源转换功能,以确保以太网提供高速和强大数据连接的主要任务不会因附加功能而受到影响的电力输送。


标签:今日头条产品资讯机械应用设备与仪器工业设备
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