简介

IEEE新推出的以太网供电(PoE)标准，也被称为PoE 2或802.3bt（以前称为PoE++），从推出至今刚满3年，但其应用势头比过去更为强劲。虽然因为受到2019年新冠肺炎疫情(COVID-19)的影响，远程工作的数量增加，但每年部署的以太网供电端口数量也在持续增加。雇主利用空下来的桌椅，升级IT基础设施，打造面向未来的工作场所，希望最终能够座无虚席。要创建智能办公室，就需要在办公室内配备多台连接至互联网的物联网设备，包括会议室标牌、电话会议设备和各种传感器。智能办公室具有诸多优势，包括节能、简化业务运营，或许更重要的是，提高员工在工作场所的安全性。新冠肺炎疫情只是加快凸显了我们对可管控的楼宇暖通空调(HVAC)系统和大量非接触式公共物品的需求，促使设施和IT经理开始协作部署支持PoE的系统。根据650 Group市场研究公司的数据，到2025年，全球交换机/PoE端口的出货量预计将超过1.5亿。

PoE 2在2018年获得批准时，可以为通电设备(PD)提供高达71.3 W功率，将近之前标准(25.5 W)的3倍。PoE 2可以通过相同的千兆以太网电缆传输电源，为过去、如今和未来的许多需要大量功率和数据的应用奠定基础，包括用于在人员进入工作场所之前，在入门位置对人员实施新冠肺炎筛查的远端温度监测系统和红外摄像头。

图1显示基本的PoE框图，其中一台PD连接至供电设备(PSE)。对于过去的几代PoE，一个电源通道就足以为每个PoE端口供电。经过快速发展，现在，到了802.3bt，每个端口需要配备两个电源通道，以实现中等和高电平，此外，可能还需要考虑提高每个通道的功率密度。在全球以太网市场中，支持PoE的端口的数量在不断增加。受上述所有因素影响，IT部门需要部署大量高功率密度、高端口数量的系统，所有这些系统都要求达到99.999%（5个9）的正常运行时间和可靠性。我们需要一种真正可扩展的PoE子系统来简化高端口数量、支持PoE的交换机的部署，这种需求由来已久。

图1.以太网供电框图

图2.LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 24端口PSE芯片组的简化原理图。

ADI公司作为PoE领域的带头人、IEEE 802.3bt Task Force的成员，以及以太网联盟的活跃成员，长期以来一直在提供出色的PSE和PD控制器，为如今部署的数以百万计的端口贡献了自己的力量。刚刚发布的ADI LTC9101、LTC9102和LTC9103高端口数量的PSE芯片组和ADI的PoE 2 PD控制器让开发人员能够提供完整的端到端PoE 2系统。我们来深入研究一下为何这款新平台在如今的市场中地位特殊。

 基于平台的PSE设计方法

现代的交换芯片是非常复杂的系统，常常会面对非常严苛的环境条件，包括浪涌和电缆放电，且必须提供出色的系统可靠性和正常运行时间。过去的PSE架构方法是在组件层级审查PSE子系统设计，重点关注增量组件改进，而这些改进并不一定会优化整体系统性能。若从更高层级审查PSE子系统，将迫使ADI公司的设计团队开始重新思考PSE范例，并提供系统级解决方案。LTC9101/LTC9102/LTC9103和未来的衍生产品将采用这种系统级方法，将数字和模拟组件组合起来，以解决系统集成商面临的PSE挑战，包括表1中列出的挑战。

表1.PSE系统级挑战和解决方案

LTC9101/LTC9102/LTC9103属于自隔离PSE控制器芯片组的一部分，基于衬底，专为PoE 2系统设计。图2显示简化的原理图，以及如何为多达48个以太网端口中的一个端口供电。芯片组具有新特性，它们支持集成式隔离。所以，在芯片组架构中，LTC9101为PSE主机提供隔离数字接口，而多个LTC9102和/或LTC9103提供高压模拟以太网接口。802.3以太网规范要求将网段（包括PoE电路）与底盘地和PHY进行电气隔离。通过将LTC9101置于非隔离侧，将LTC9102或LTC9103置于隔离侧，可将多达6个昂贵的光耦合器和1个隔离电源替换为更便宜、更可靠的10/100以太网变压器。这种拓扑结构不仅可以节省成本，还可以实现更稳定可靠和易于制造的PSE设计。

这种可扩展的解决方案支持灵活实施大型PSE系统，端口数量从4个到48个，具体由每个端口需要多少功率来决定。每个设计至少需要一个LTC9101数字控制器和一个或多个LTC9102/LTC9103模拟控制器。

u LTC9102提供12个电源通道，每个通道为以太网电缆中的4个电缆对中的2对供电，为12个30 W端口（每个端口使用一个电源通道）到6个90 W端口（每个端口使用两个电源通道）供电。

u 同样，LTC9103提供8个电源通道，可用于为8个30 W端口到4个90 W端口供电。

u 单个LTC9101可以管理多达4个LTC9102和/或LTC9103，它们可以混合和匹配使用。例如，可以使用1个LTC9101、1个LTC9102和2个LTC9103来构建24端口PSE，包含4个90 W端口和20个30 W端口，如图3所示。

图3.LTC9102/LTC9103混合/匹配实现示例：24端口PSE，包含4个90 W端口和20个30 W端口

IT和设施经理都很喜欢LTC9101的第六代数字功能，包括用于存储固件更新的内部eFlash和自定义用户配置包、向后兼容LTC4291 4端口PoE 2 PSE驱动器，以及I2C串行接口。LTC9101的现场可升级固件映像存储在专用的闪存分区中，在该位置预先配置了符合IEEE 802.3at/bt标准的固件映像。在单独的ECC和CRC保护措施下，维护固件映像的两个完整副本，以最大限度保护数据。在成功启动芯片组之后，用户可以配置并通过LTC9101的I2C接口与芯片组通信，每个端口可以单独配置为四种PSE操作模式（自动、半自动、手动或关断）中的一种，且可以使用端口电流、PoE电源电压和端口电源等的遥测读数来管理系统电源。

LTC9101是芯片组的核心，LTC9102/LTC9103则是枝干，通过多种方式保证高压电源路径的高效率和耐用性。每个LTC9102/LTC9103电源通道都采用专用的检测和分级硬件。这使得所有端口都能够同时检测、分级和上电，从而大幅降低交换芯片中的上电延迟。其他不太先进的PSE容易受到PD等明显的延迟影响；例如，LED以串行端口为基础供电。LTC9102/LTC9103使用外部MOSFET控制每个电源通道，所以用户可以选择低R_DS(ON)器件，以降低功耗并解除通道故障。使用0.1 Ω检测电阻有助于进一步降低功耗。

在发生过电流故障或端口短路时，LTC9102/LTC9103在~1 µs内快速断开电源，以保护PSE、MOSFET和后端电路。此外，所有面向端口的引脚可以承受高达+80 V或低至–20 V的电压瞬变事件，不会造成损坏。芯片组能够根据IEC 61000-4-5浪涌抗扰度规范，尽可能采用较少的外部器件，在超过±6.5 kV的浪涌下运行，这一特性非常不错（DC3160演示板显示了此特性）。在发生故障之后，LTC9102/LTC9103能够以限流的方式快速安全地重新开启MOSFET，尽量减少对PD的中断，这是尽量延长网络正常运行时间的关键。

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