通过以太网供电(PoE)技术为智能建筑供电

以太网供电(PoE)顾名思义：它通过用于数据传输的同一根电缆为小型设备提供足够的电力。该技术被广泛应用于智能建筑中，由于涉及的电压较低，正常的市电电气安全规则不适用。这凸显了PoE具有吸引力的原因之一；它可以显著降低与安装和合规性相关的成本。

由于许多办公大楼已经在整个结构中安装了以太网线缆，并安装了电池支持的不间断电源(UPS)，因此可以很容易地实现强大的系统。添加PoE设备可以利用已部署的相同电缆，为照明和安全摄像头等应用提供电力。电源可以通过以太网电缆传输到距离PoE以太网设备100米以内的设备。

使用PoE为智能建筑供电的好处

采用 PoE 的明显好处之一是它使直流电源能够在您现有的以太网上运行。虽然您仍然需要使用支持 PoE 的端口更新您的网络交换机，但不必为受电设备运行铺设额外的铜线带来的成本优势可能非常显着。铜价已从 2000 年的每磅 0.65 美元上涨到 2021 年的每磅 4.05 美元（来源：macrotrends）。此外，通过不在受电设备上实现 AC 到 DC 转换，也可以进一步节省成本。

在定位受电设备时，PoE 还提供了更大的灵活性。大多数交流电源插座都位于靠近地板的位置，这不是 Wi-FI接入点 (AP)、毫微微蜂窝和微微蜂窝（femtocells and picocells）以及摄像头的理想位置。为了最大限度地扩大覆盖范围，建议避免将这些设备放置在障碍物附近，这意味着它们最好放置在天花板高度。与市电网络不同的是，以太网电缆通常是通过天花板吊顶形成的空隙布线的，这消除了采用的另一个障碍。

PoE将电力和数据相结合，实现了对各种应用的全天候智能监控，包括照明、安全摄像头和数字标牌。配备电池供电的不间断电源系统 (UPS) 的集中式 PoE 网络可确保关键设备在停电期间持续运行。

图 1：PoE 智能楼宇优势

最初的 PoE 标准 (IEEE 802.3af) 于 2003 年获得批准，并提供高达 15 瓦的功率。它被广泛应用于 IP 电话、楼宇门禁控制和为早期分布式 Wi-Fi 接入点供电等应用中。该标准的后续修订版，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应用，例如更快的 Wi-Fi 网络、安全摄像头、音频扬声器、销售终端 (POS)、LED 照明等。

图 2：PoE 标准和应用

图 3 显示了典型的 PoE 拓扑。PoE 网络交换机称为电源设备 (PSE)，它为客户端提供直流电源，称为受电设备 (PD)。该规范规定 PSE 应能够通过最长 100 米的以太网电缆（通常为 CAT5/6以上）向 PD 供电。

图 3：典型 PoE 拓扑（来源：以太网联盟）

由于以太网电缆最长可达 100 米，在此距离上存在一些损耗，因此在最坏的情况下，到达 PD 的功率低于 PSE 提供的功率。这在标准规范中802.3af 为 13 瓦，802.3at 为 25.5 瓦，802.3bt 为 71.3 瓦。对于“bt”标准，PD 处的直流电压范围为 42 至 57 伏 [RB2]。输入端不支持 PoE 的联网设备仍然可以连接并使用 PoE 分离器，以分离数据和直流电源。这也可以减少对 AC/DC 转换器和将设备定位在 AC 插座附近的需求。

当今的安全系统通常使用包含小型电机的摄像机，以使它们能够在三个轴或平移、倾斜和缩放 (PTZ) 上移动，并且通常配备高清数码摄像机。这些摄像机可以通过以太网等有线连接手动控制，也可以编程为在定义的感兴趣窗口或整个视野中检测到对象时自动移动和缩放。一些摄像机还可以配置为通过不断执行 0° 到 360° 平移和 0° 到 180° 倾斜来测量场景，而变焦可以使用光学或数字技术实现。这些安全和监控摄像头所需的电源现在可以使用基于 IEEE 802.3at 标准的 PoE 提供。

Wi-Fi 接入点和路由器也是 PoE 的常见应用。二者的功耗通常是速度和支持的流数量的函数关系。现代网络使用诸如 MIMO（多输入多输出）等技术来扩大范围和吞吐量。实施支持 Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) 速度的 AP/路由器应用将对应到 PoE 标准，如下所示：

1、Wi-Fi 6、4×4双频并发：802.3at

2、Wi-Fi 6、8×8双频并发：802.3at/bt

3、Wi-Fi 6、4×4 三频并发：802.3at/bt

尽管 Wi-Fi 路由器/AP 随附 AC/DC 电源，但它们也可以使用 PoE 分离器供电。相比之下，Cisco Meraki^TMMR56 Wi-Fi 6（802.11ax，8 个流）接入点等产品现在支持 802.3at，这意味着 RJ45 端口可以直接连接到支持 PoE 的 PSE 交换机为设备供电。

微微蜂窝和毫微微蜂窝用于扩展或增加蜂窝覆盖范围，特别是在建筑物内部、办公室、购物中心和体育场等繁忙区域。与常规小区不同，微微小区的范围通常很小，约为 200 米或更短，而毫微微小区的范围可能低至 10 米。这些微型设备是 PoE 的理想选择，如下面的一个示例所示：

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

LED 电视是一种非常有效的交流方式。它们可以在各种领域显示定制的动态数字标牌，包括企业办公空间、智能零售、酒店以及城市公共宣传等。与 Wi-Fi 一样，数字标牌的好坏取决于其位置。例如，较大的屏幕通常悬挂在天花板上，以便人群可以轻松查看内容。相比之下，智能信息亭或销售终端 (PoS) 应用利用较小的屏幕——其中一些带有触摸屏，可提供更加个性化的交互式用户体验。

LED电视的功耗变化很大。下面列出的 Samsung^®55 英寸 LED 电视指定了 69 W 的典型功耗，而另一款相同尺寸和制造商的要求为 120 W。确保 LED 电视功率不超过 PD 功率非常重要。使用 802.bt 标准，根据 PSE 和 LED 电视 (PD) 之间的以太网电缆长度，其范围可以从 90 W 到 71.3 W。

市场上也有几种带有 PoE 的LED电视。对于不断增长的数字标牌市场，LED 电视制造商是否开始将 802.bt 集成到他们更大的 LED 电视中将会很有趣。

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

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

3. 10”，三星数字标牌 (DB10E-TPOE) 802.3at（不需要 PoE 分路器）

4. 48”，三星数字标牌 (DH48E) 44W（典型值）802.3bt（需要 PoE 分路器）

5. 40”，三星数字标牌 (H40B) 44W（典型值）802.3bt（需要 PoE 分路器）

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

PoE 和 LED 照明是天作之合，因为 LED 消耗直流电源，而 PoE 提供直流电源。这使用户可以在使用 PoE 为 LED 供电时省去了AC 到 DC 电源转换的成本。

PoE 如何增强智能建筑的一个很好的例子是 ON Semiconductor^®互联照明平台（图 4）。该平台基于模块化设计，能够为两串 16 个 LED 提供 7,000 流明，由双 FL7760 LED 驱动器驱动。基于 NCP1096 802.3bt 控制器的 PoE 模块可为 LED 驱动器模块提供高达 90 瓦的直流电源。同时，LED 驱动器模块上还有第二个连接器，该连接器接受 RSL10 蓝牙^®5 无线电，以无线连接到智能手机网关，从而实现云连接。现在是智能照明。

图 4：带 PoE 模块的互联照明平台

Internet 协议语音 (VoIP) 可能是 PoE 最常见的应用。VoIP 在广域网上使用以太网协议将低频模拟语音信号数字化为数据包。从那里，它将通过交换机和路由器进入云，到达目的地。VoIP 的功耗仅为 4 到 7 瓦，因此非常符合 802.3af PoE 标准。配备 RJ45 连接器的现代 VoIP 电话旨在通过以太网电缆接收数据和电源，因此不需要外部 PoE 分离器。

通过同一根电缆提供电力和数据连接的便利性令人信服；我们只需要看看 USB 如何成为许多消费类设备无处不在的电源。商业和工业应用中的 PoE 也是如此。它通过针对可以直接受益于其带来的简单性的应用推进了单电缆解决方案的概念。随着越来越多的制造商发现它的好处，最终用户将开始需要 PoE。是时候开始向更智能的集成电源/数据组合过渡了。

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

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