作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-26

雖然通過以太網電纜供電的以太網供電技術 (PoE) 已有多年歷史，但一直以來只有在 100 米或更短的距離內具有吸引力。現在，單對以太網供電 (SPoE) 改變了游戲規則。SPoE 是一種 IEEE 標準化技術，允許使用以太網電纜中的單對雙絞線遠距離供電和傳輸數據，從而為創新應用開辟了新領域。

以太網使用四對雙絞銅線傳輸數據信號，每對銅線傳輸一個方向的數據流，在設備之間的數據通信中得到了廣泛應用。使用以太網的設備通常還需要采用單獨電源供電，從而增加了布線和安裝成本。

以太網供電 (PoE) 是作為以太網標準的擴展而開發的，通過使用兩對電線傳輸數據，另兩對電線為設備供電，從而使設備能夠通過同一根電纜接收數據和電源。

PoE 可在最長 100 米的距離內提供高達 90 W 的功率。這催生了 PoE 應用，如 IP 攝像頭、無線接入點、VoIP 電話和智能照明系統，這些應用可通過一根電纜進行部署和供電。然而，除了傳輸距離限制外，PoE 還面臨其他挑戰，包括需要體積龐大、價格昂貴的連接器和電纜來處理大電流和高電壓、功率損耗和散熱等問題。

介紹 SPoE

SPoE 僅用一對電線傳輸數據和提供電源，數據傳輸速率可達 1 Gbps，傳輸功率可達 52 W，電纜長度可達 1 千米（圖 1），所用的連接器和電纜體積較小、成本較低，且與現有 RJ45 插座兼容。

圖 1：傳輸功率高達 52 W 的 SPoE 系統。（圖片來源：[Analog Devices]

SPoE 可降低成本，簡化實施，非常適合工業、汽車、樓宇自動化和物聯網環境中廣泛的應用，在這些環境中，開始新的布線或僅依靠無線局域網要么不切實際，要么成本高昂，要么這兩個問題同時存在。這項技術可提供全面的系統遙測功能，用于監控輸電狀態，進行故障檢測和過壓保護。

在工業環境中，SPoE 可與遠距離為傳感器和控制設備供電，但不會增加本地電源，從而簡化了網絡基礎設施，降低了安裝成本，以及實現集中化電源管理。SPoE 可通過現有以太網線路供電，使 SPoE 交換機和終端的添加過程快速而相對簡單。

SPoE 是 IEEE 802.3 標準的一部分——IEEE 802.3 cg 用于通過單雙絞線 (10Base-T1L) 實現 10 Mbps 以太網，是 IEEE 802.3bu 數據線供電 (PoDL) 標準的擴展。PoDL 可用于最長 40 米的系統，電壓為 12 V 、24 V 或 48 V；SPoE 可用于最長 1000 米的系統，電壓為 24 V 或 55 V。

SPoE 非常適合需要中低功耗、遠距離、高數據傳輸速率的應用，而這對于 PoE 來說是不可行或不經濟的。

SPoE 的潛在應用包括：

• 對過程控制和自動化而言，可靠的通信和輸電是至關重要的運行技術系統
• 可監控環境和機械參數的樓宇和工廠自動化系統
• 可更靈活、更經濟地部署傳感器和執行器等現場儀器
• 安全系統，如門禁控制和監控系統、在這些應用中 SpoE 更易于擴展
• 需要持續運行并保持連接的交通管理系統
• 為物聯網邊緣設備供電并進行管理
• 為數字標牌和戶外照明遠程供電

SPoE 的設計考慮因素

SPoE 使用“Phantom 電源”技術，在同一對電線上將電源和數據疊加在一起，因此需要在電纜兩端安裝復雜的控制器，以分離和調節電源和數據信號。應用中還必須考慮到電纜的功率損耗和散熱。這兩個問題會影響系統性能和可靠性。

電源設備 (PSE) 控制器可實現精密的電源管理和轉換，并確保安供電全、穩定和高效。該設備與通過雙線電纜接收電源的供電設備 (PD) 控制器配合使用。

為多通道設計的 PSE 控制器可為傳感器等各種遠程設備供電。例如，Analog Devices, Inc. (ADI) 的 [LTC4296-1]（圖 2）是一款 5 端口 SPoE 控制器，可通過五條線路為最多五個負載供電，每條線路長達 1000 米。該器件使用外部低漏源導通電阻 (R DS(ON) ）、N 溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 供電，可最大程度地減少壓降并確保應用穩定。

圖 2：ADI 的 5 端口 LTC4296-1 電源設備 (PSE) 控制器（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

LTC4296-1 為 10BASE-T1L 控制器和開關提供了一個多功能 SPoE、PSE 解決方案，并可與 ADI 的 10BASE-T1L 收發器組合元件輕松集成（例如 [ADIN2111CCPZ-R7]雙端口器件），該器件集成了一個開關、兩個以太網物理層 (PHY) 內核（帶一個 MAC 接口和相關模擬電路）、一個供電電壓監控電路和上電復位 (POR) 電路。收發器可通過串行外設接口 (SPI) 與各種控制器直接連接。

此外，[LTC9111RDE#PBF]是 ADI 推出的幾款 PD 控制器之一，工作電壓范圍為 2.3 V 至 60 V，且具有極性校正功能（圖 3）。該控制器管理線路傳輸的分類和監控，在分類期間以微功耗形式驅動兩個外部 N 溝道 MOSFET 開關，以最大限度地降低儲能電容器要求。外部 N 溝道 MOSFET 開關在分類和浪涌期間將輸出電容與連接器隔離。

圖 3：LTC4296-1 SPoE PSE 控制器適用于驅動多達五個通道，此處與 LTC9111 PD 控制器相連。（圖片來源：Analog Devices）

LTC9111 系列控制器向 PSE 提供有效的喚醒簽名，以請求供電。符合 IEEE 802.3cg 標準的 PSE 和 PD 控制器采用串行通信分類協議執行分類步驟；PSE 確保 PD 兼容，如果兼容，則繼續提升端口電壓。如果運行的電氣設備需要 24 V 或 55 V 以外的電壓，則需要使用另外的 DC/DC 轉換器。

ADI 還提供 [EVAL-SPoE-KIT-AZ]評估套件，用于評估通過單根雙絞線以太網 (SPE) 電纜傳輸的 10BASE-T1L 數據和 SPoE 功率。該套件采用 LTC4296-1 PSE 控制器和 LTC9111 PD，用于評估 IEEE 802.3cg 10 至 15 類 SPoE 功率，以及在系統中提供數據的 10BASE-T1L 收發器。

實施 SPoE 應用

產品設計人員需要優化 SPoE 解決方案的功率預算和效率，并考慮電纜長度、直徑、電阻、溫度和環境等參數。

在單根雙絞線上同時傳輸電源和數據時，存在這兩者之間的平衡問題，例如既要確保向遠程設備提供足夠的電源，又要在潛在的長距離上保持數據完整性。

在許多 OT 部署中采用的 24 VDC 常見電源電壓下，通過長電纜輸電會因電纜電阻而產生大量損耗。IEEE 802.3cg 標準規定，SPoE 的工作電壓為 24 V 或 55 V，因此設計人員可以采用接近 60 V 最高安全超低電壓 (SELV) 的電壓來提高供電效率。

審核編輯 黃宇