高功率推升高標準　PoE＋刺激新興應用

2008-03-20

Clay Stanford

隨著終端應用日漸升溫，2003年定義的IEEE 802.3af由於僅能供應不到13瓦的功率，因而逐漸興起一波更大功率的標準需求。然而，新標準並不是提高電流和電壓就能達成，還須要突破溫度、變壓器以及與現行裝置的相容性等議題。且目前新興標準尚未完全底定，因而在此過渡時期，業者能否推出適當的產品反成矚目焦點。

乙太網路供電(Power over Ethernet, PoE)是由IEEE 802.3.af任務小組(Working Group, WG)於2003年所定義，並廣為產業所採用。今日，所有主要製造商所銷售的網路交換器(Network Switch)都配備PoE能力。如網路電話(IP Phone)就是使PoE普及的驅動力之一，但PoE同樣在各式其他應用中廣受採用，如無線接取點(WAP)、保全監視器、無線射頻辨識系統(RFID)讀取器，以及其他一些較非主流應用，如出口標誌和電吉他等。

為符合IEEE802.3.af規格，PoE在受電端(PD)的功耗限於12.95瓦，但相對也限制了可從乙太纜線供電應用之範圍。因此，為因應此有限的功率，並開創PoE新市場，2006年IEEE的工作小組開啟一新任務，即研究如何提升此國際性電源標準之功率極限，這就是IEEE 802.3.at工作小組的成立起源，不久後，PoE＋標準也就隨之公布。

POE＋有助新興應用抬頭

PoE＋標準將能滿足更多耗電元件，從長距離的WAP、多功能手機、視訊會議及高效能具有跟隨/移動/縮放(Pan-tilt-zoom, PTZ)保全監視器等應用裝置都是其一。

如同許多專案般，當上述工作小組開始為一個更大功率的新標準定義時，不少業界人士認為這是一個簡單快速的工作，以為只須提高電流和電壓，就能擁有40瓦的功率。然而當工作小組開始深入至更高功率位準相關的技術細節時，許多問題便油然而生，有些甚至今日仍無解。

電纜電流運載量難解

在這些難解的問題中，電纜電流的運載量是最基本、也是第一個被提出的，直到最近，電纜專家才對這個基礎的問題提供解答。類似所有電子元件，電纜有一個最高的工作周遭溫度，過多的電纜熱損將破壞絕緣、改變傳輸特性並降低外覆絕緣層的預估壽命。電信產業協會(TIA)最近發布一些初步指南，建議當電纜束所包覆的纜線數設定在一百條以內，且所有纜線導體可同時運作的情況下，CAT5.E能支援的傳輸電流為360毫安培。此工作電流在電纜周遭溫度達45 ℃時有效，但當工作溫度再提高，便會遭受折損。

交相辨識滿足電壓探測

系統中所實際關心的第二個零件是資料變壓器(Data Transformer)。誠如一般所知，資料變壓器被用於將資料訊號從實體(PHY)層交流(AC)耦合入電纜，同時作為PoE電源用之直流(DC)電流也會由此處注入。當變壓器上的DC電流位準增加，平行供電路徑上的小幅阻性不平衡將導致偏差電流流過變壓器，反過來減少其電感量。此被削減的電感量劣化了資料傳輸特性，嚴重的情況可能導致高位元錯誤率(BER)或整個資料丟失。早期的報告指出，要建立同時能運載高電流且維持Gigabit乙太網路嚴苛的傳輸特性之資料傳輸磁性元件，在現實生活中難以達成。然而，極多的資料變壓器公司已證明，可實現的解決方案仍是可行的。

需要精細工程設計的一個部分，是用於讓供電裝置(PSE)和受電端互相辨識對方的新級別辨識機制。此交相辨識動作協助供電裝置供電予第一類型硬體.af和第二類型.at受電端，以及.af受電端可由.at供電裝置供電、告知.at受電端是否擁有比其負載所需更高的電力功率之能力。每個組合需要一個被完整定義和一致的行為，如此才能維持以802.3標準、互操作性為依歸的核心思想。此相互辨識在802.3.at便以精密的硬體分級機制與新資料層機制獲得施行。

802.3.at的硬體分級稱為2-事件分級辨識，基本上是讓供電裝置重複802.3.af電壓探測兩次。對於每次電壓探測，供電端產生一個對應於特定功率位準的電流脈衝(圖1)。開始時，供電裝置發送15.5～20.5伏特電壓脈衝於資料或備用線上，受電端則回送一個可高達40毫安培、足以表示四個功率級中之一級的電流給供電裝置。雙重脈衝是給受電端的一個訊號，通知其所連接的供電裝置的確是一個高功率端點，能提供802.3.at所要求的高功率位準。802.3.at受電端則以一個四等級標識電流來回應，告訴供電裝置這是一個需求29.5瓦的高功率受電端。802.3.af的第一層分級辨識方法對於供電裝置去詢問受電端以決定其所需耗電是一種選項。在802.3.at規格中，供電裝置被要求一定要執行這個動作。

圖1　PoE＋第一層和第二層分級機制

LLDP提供動態電力配置

除上述硬體分級之外， PoE＋任務小組定義了於供電裝置和受電端之間通訊用的新資料層分級，即鏈接層探索通訊協定(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)。一旦鏈接被通電，供電裝置和受電端便能用LLDP確認受電端的耗電需求。LLDP允許供電裝置一再詢問受電端以了解受電端狀況和其電力需求。藉由此機制，動態電力配置便可能實現，供電裝置可連續得知受電端新功率位準，而受電端可提出供電請求，且隨後也可撤回。此新動態電力配置肯定將成為一重要特點，因為系統正朝向一個更符合綠色電源的環境前進。

此新式第二層分級辨識機制對於供電裝置雖是可選擇的，但受電端仍須建置。圖1顯示用於PoE＋的分級辨識方法。802.3.at小組仍在研究標準中這部分的細節，因此在小組完成定義通訊協議之前，一般預期仍會有部分改變。

PoE＋問世在即

802.3.at工作小組還有許多挑戰，特別是他們還未決定最大電纜電流的極限，同時，未針對資料傳輸磁性元件的飽和問題提出解決方案，也尚未完成第二層通訊指令集的定義。然而，僅管有這些顯著的項目未完成，規格卻是極為正面，且不少半導體和系統業者已開始構建能符合標準的硬體。

即使這些顯著項目能很快完成，但仍有一系列重要的檢討和審批流程須進行，因此，迄今，最佳的猜測是此標準的公布將出現於2008年底或2009年春季。

兼容新舊標準解決方案為必需

雖然相關標準正在進展中，仍應回頭看看今日數據所在之處。PoE系統有兩個功率受規範的獨特之處，一是供電裝置輸出連接器，另一則是受電端輸入連接器。現在，供電裝置必須能連續以50伏特的最小輸出電壓供應至少720毫安培電流，也就等同於要求供電裝置需有36瓦的輸出功率。電纜電阻是以12.5Ω來模擬，如此一來，投入受電端連接器的可用功率為29.5瓦；如果將48伏特轉換效率納入必要考慮時，大約僅有25瓦功率可用於受電端負載。

市場驅使著對更大功率的需求，今日已有強烈要求提出受電端電源解決方案必須高過現存的12.95瓦極限以上。許多耗電型網路設備，如WAP、多功能手機、具有PTZ保全監視器等，都要求更多電力。

當我們等待802.3.at標準被完成且逐漸實施於市場時，一個受電端供應商該如何解決其高電力需求？答案是：設計一個兼容於將推出標準的受電端前端。遵循現今標準，可設計出能與802.3.at供電裝置互為操作的受電端。

目前已有業者提供符合前述標準之高功率受電裝置，能作為802.3.at兼容受電端解決方案的基準。這些元件典型地具有因應高功率位準相關的高電流電源徑，但缺乏由802.3委員會最近採用的2-事件分級機制。如此將所欠缺的分級電路增加至現有的電源徑中，便可建立一個完整的802.3.at解決方案。

例如，以現有產品(圖2)為例，其可建立一個允許供應商能於今日提供高功率解決方案，且兼容於明日802.3at完整標準的解決方案。

圖2　目前市面上可同時滿足現有與未來標準的高功率供電端/交換器

上述產品是一款受電端，內建包含能通過720毫安培、低功耗內部功率金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)的同步切換器晶片。要完全滿足802.at兼容性，所欠缺的是執行2-事件分級作業的能力。藉由沿著此產品增加簡單的獨立電路，便能於今日實現完整的802.3.at解決方案。圖3為處理802.3.at 2-事件分級作業所須添加的電路。