通過以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)為智能建筑供電

以太網(wǎng)供電(PoE)顧名思義：它通過用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐桓娎|為小型設(shè)備提供足夠的電力。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能建筑中，由于涉及的電壓較低，正常的市電電氣安全規(guī)則不適用。這凸顯了PoE具有吸引力的原因之一；它可以顯著降低與安裝和合規(guī)性相關(guān)的成本。

由于許多辦公大樓已經(jīng)在整個結(jié)構(gòu)中安裝了以太網(wǎng)線纜，并安裝了電池支持的不間斷電源(UPS)，因此可以很容易地實現(xiàn)強大的系統(tǒng)。添加PoE設(shè)備可以利用已部署的相同電纜，為照明和安全攝像頭等應(yīng)用提供電力。電源可以通過以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)骄嚯xPoE以太網(wǎng)設(shè)備100米以內(nèi)的設(shè)備。

使用PoE為智能建筑供電的好處

采用 PoE 的明顯好處之一是它使直流電源能夠在您現(xiàn)有的以太網(wǎng)上運行。雖然您仍然需要使用支持 PoE 的端口更新您的網(wǎng)絡(luò)交換機，但不必為受電設(shè)備運行鋪設(shè)額外的銅線帶來的成本優(yōu)勢可能非常顯著。銅價已從 2000 年的每磅 0.65 美元上漲到 2021 年的每磅 4.05 美元（來源：macrotrends）。此外，通過不在受電設(shè)備上實現(xiàn) AC 到 DC 轉(zhuǎn)換，也可以進一步節(jié)省成本。

在定位受電設(shè)備時，PoE 還提供了更大的靈活性。大多數(shù)交流電源插座都位于靠近地板的位置，這不是 Wi-FI接入點 (AP)、毫微微蜂窩和微微蜂窩（femtocells and picocells）以及攝像頭的理想位置。為了最大限度地擴大覆蓋范圍，建議避免將這些設(shè)備放置在障礙物附近，這意味著它們最好放置在天花板高度。與市電網(wǎng)絡(luò)不同的是，以太網(wǎng)電纜通常是通過天花板吊頂形成的空隙布線的，這消除了采用的另一個障礙。

PoE將電力和數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對各種應(yīng)用的全天候智能監(jiān)控，包括照明、安全攝像頭和數(shù)字標牌。配備電池供電的不間斷電源系統(tǒng) (UPS) 的集中式 PoE 網(wǎng)絡(luò)可確保關(guān)鍵設(shè)備在停電期間持續(xù)運行。

圖 1：PoE 智能樓宇優(yōu)勢

最初的 PoE 標準 (IEEE 802.3af) 于 2003 年獲得批準，并提供高達 15 瓦的功率。它被廣泛應(yīng)用于 IP 電話、樓宇門禁控制和為早期分布式 Wi-Fi 接入點供電等應(yīng)用中。該標準的后續(xù)修訂版，包括 IEEE 802.3at (30 W / 2009) 和 IEEE 802.3bt (90 W / 2018)，增加了提供的功率以支持更高要求的應(yīng)用，例如更快的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)、安全攝像頭、音頻揚聲器、銷售終端 (POS)、LED 照明等。

圖 2：PoE 標準和應(yīng)用

圖 3 顯示了典型的 PoE 拓撲。PoE 網(wǎng)絡(luò)交換機稱為電源設(shè)備 (PSE)，它為客戶端提供直流電源，稱為受電設(shè)備 (PD)。該規(guī)范規(guī)定 PSE 應(yīng)能夠通過最長 100 米的以太網(wǎng)電纜（通常為 CAT5/6以上）向 PD 供電。

圖 3：典型 PoE 拓撲（來源：以太網(wǎng)聯(lián)盟）

由于以太網(wǎng)電纜最長可達 100 米，在此距離上存在一些損耗，因此在最壞的情況下，到達 PD 的功率低于 PSE 提供的功率。這在標準規(guī)范中802.3af 為 13 瓦，802.3at 為 25.5 瓦，802.3bt 為 71.3 瓦。對于“bt”標準，PD 處的直流電壓范圍為 42 至 57 伏 [RB2]。輸入端不支持 PoE 的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍然可以連接并使用 PoE 分離器，以分離數(shù)據(jù)和直流電源。這也可以減少對 AC/DC 轉(zhuǎn)換器和將設(shè)備定位在 AC 插座附近的需求。

當今的安全系統(tǒng)通常使用包含小型電機的攝像機，以使它們能夠在三個軸或平移、傾斜和縮放 (PTZ) 上移動，并且通常配備高清數(shù)碼攝像機。這些攝像機可以通過以太網(wǎng)等有線連接手動控制，也可以編程為在定義的感興趣窗口或整個視野中檢測到對象時自動移動和縮放。一些攝像機還可以配置為通過不斷執(zhí)行 0° 到 360° 平移和 0° 到 180° 傾斜來測量場景，而變焦可以使用光學(xué)或數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)。這些安全和監(jiān)控攝像頭所需的電源現(xiàn)在可以使用基于 IEEE 802.3at 標準的 PoE 提供。

Wi-Fi 接入點和路由器也是 PoE 的常見應(yīng)用。二者的功耗通常是速度和支持的流數(shù)量的函數(shù)關(guān)系?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)使用諸如 MIMO（多輸入多輸出）等技術(shù)來擴大范圍和吞吐量。實施支持 Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) 速度的 AP/路由器應(yīng)用將對應(yīng)到 PoE 標準，如下所示：

1、Wi-Fi 6、4×4雙頻并發(fā)：802.3at

2、Wi-Fi 6、8×8雙頻并發(fā)：802.3at/bt

3、Wi-Fi 6、4×4 三頻并發(fā)：802.3at/bt

盡管 Wi-Fi 路由器/AP 隨附 AC/DC 電源，但它們也可以使用 PoE 分離器供電。相比之下，Cisco Meraki^TMMR56 Wi-Fi 6（802.11ax，8 個流）接入點等產(chǎn)品現(xiàn)在支持 802.3at，這意味著 RJ45 端口可以直接連接到支持 PoE 的 PSE 交換機為設(shè)備供電。

微微蜂窩和毫微微蜂窩用于擴展或增加蜂窩覆蓋范圍，特別是在建筑物內(nèi)部、辦公室、購物中心和體育場等繁忙區(qū)域。與常規(guī)小區(qū)不同，微微小區(qū)的范圍通常很小，約為 200 米或更短，而毫微微小區(qū)的范圍可能低至 10 米。這些微型設(shè)備是 PoE 的理想選擇，如下面的一個示例所示：

1. Apex^TM4G/LTE 3.5GHz 室外微微蜂窩（35W）：802.3bt

LED 電視是一種非常有效的交流方式。它們可以在各種領(lǐng)域顯示定制的動態(tài)數(shù)字標牌，包括企業(yè)辦公空間、智能零售、酒店以及城市公共宣傳等。與 Wi-Fi 一樣，數(shù)字標牌的好壞取決于其位置。例如，較大的屏幕通常懸掛在天花板上，以便人群可以輕松查看內(nèi)容。相比之下，智能信息亭或銷售終端 (PoS) 應(yīng)用利用較小的屏幕——其中一些帶有觸摸屏，可提供更加個性化的交互式用戶體驗。

LED電視的功耗變化很大。下面列出的 Samsung^?55 英寸 LED 電視指定了 69 W 的典型功耗，而另一款相同尺寸和制造商的要求為 120 W。確保 LED 電視功率不超過 PD 功率非常重要。使用 802.bt 標準，根據(jù) PSE 和 LED 電視 (PD) 之間的以太網(wǎng)電纜長度，其范圍可以從 90 W 到 71.3 W。

市場上也有幾種帶有 PoE 的LED電視。對于不斷增長的數(shù)字標牌市場，LED 電視制造商是否開始將 802.bt 集成到他們更大的 LED 電視中將會很有趣。

1. 55 英寸，三星 4K LED 電視 (#Q70T) 69W（典型值）：802.3bt（需要 PoE 分路器）

2. Thinlabs, Inc 的 46 英寸高清觸摸屏：802.3bt（不需要 PoE 分路器）

3. 10”，三星數(shù)字標牌 (DB10E-TPOE) 802.3at（不需要 PoE 分路器）

4. 48”，三星數(shù)字標牌 (DH48E) 44W（典型值）802.3bt（需要 PoE 分路器）

5. 40”，三星數(shù)字標牌 (H40B) 44W（典型值）802.3bt（需要 PoE 分路器）

6. 16” medTV^?PDI-P16TV-GB2-P 電視 (25W) 802.3at（不需要 PoE 分路器）

PoE 和 LED 照明是天作之合，因為 LED 消耗直流電源，而 PoE 提供直流電源。這使用戶可以在使用 PoE 為 LED 供電時省去了AC 到 DC 電源轉(zhuǎn)換的成本。

PoE 如何增強智能建筑的一個很好的例子是 ON Semiconductor^?互聯(lián)照明平臺（圖 4）。該平臺基于模塊化設(shè)計，能夠為兩串 16 個 LED 提供 7,000 流明，由雙 FL7760 LED 驅(qū)動器驅(qū)動?；?NCP1096 802.3bt 控制器的 PoE 模塊可為 LED 驅(qū)動器模塊提供高達 90 瓦的直流電源。同時，LED 驅(qū)動器模塊上還有第二個連接器，該連接器接受 RSL10 藍牙^?5 無線電，以無線連接到智能手機網(wǎng)關(guān)，從而實現(xiàn)云連接?，F(xiàn)在是智能照明。

圖 4：帶 PoE 模塊的互聯(lián)照明平臺

Internet 協(xié)議語音 (VoIP) 可能是 PoE 最常見的應(yīng)用。VoIP 在廣域網(wǎng)上使用以太網(wǎng)協(xié)議將低頻模擬語音信號數(shù)字化為數(shù)據(jù)包。從那里，它將通過交換機和路由器進入云，到達目的地。VoIP 的功耗僅為 4 到 7 瓦，因此非常符合 802.3af PoE 標準。配備 RJ45 連接器的現(xiàn)代 VoIP 電話旨在通過以太網(wǎng)電纜接收數(shù)據(jù)和電源，因此不需要外部 PoE 分離器。

通過同一根電纜提供電力和數(shù)據(jù)連接的便利性令人信服；我們只需要看看 USB 如何成為許多消費類設(shè)備無處不在的電源。商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中的 PoE 也是如此。它通過針對可以直接受益于其帶來的簡單性的應(yīng)用推進了單電纜解決方案的概念。隨著越來越多的制造商發(fā)現(xiàn)它的好處，最終用戶將開始需要 PoE。是時候開始向更智能的集成電源/數(shù)據(jù)組合過渡了。

本文作者：Bob Cardis Americas Marketing Manager, Advanced Solutions Group at ON Semiconductor.

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