以太网供电 (PoE)

PoE 电源

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挑战
  • 向现有的 8 端口工业以太网交换机添加总功率为 120 W 的 PoE 功能
  • 必须能够装入冷却方法受限的现有机壳中

解决方案
  • 基板冷却型电源,便于冷却
  • 高效转换器
  • 定制电源
  • 减少引脚长度,以适应纤薄结构
  • 为符合 PoE 标准,需具备高隔离屏障

应用要求
  • 在现有机箱内向 8 端口 DIN 导轨安装交换机添加 120 W PoE 功能,由 24 V 工业总线供电
  • 可接受的最低输出电压为 52 VDC,以确保满负载时长电缆末端电压达到 48 VDC
  • 热管理颇具挑战,因为安装条件可能非常受限
    • 装置需塞入已经装满的机架中
    • 交换机下方可能装有电源或其他发热设备
    • 可以在无风扇冷却的机架中使用
    • 环境温度范围为 -40°C 至 +60°C

引言

为远程设备供电可能会成为一项真正的挑战,尤其是设备的安装位置距离适合的交流电源较远时。如果设备已连接到局域网,可以采用以太网供电 (PoE) 解决这个难题。原始 PoE 标准 (IEEE 802.3af) 规定了最大输出功率为 13 W;PoE+ 标准规定输出功率提高到 25.5 W,而最新版本的 IEEE 802.3bt 标准能够通过以太网电缆提供高达 71.3 W 的功率。

若要实现以太网供电,一个简单的解决方案是在局域网电缆中添加一个 PoE 注入器,但这需要占用空间,只能为单一负载供电,而且还必须为 PoE 注入器供电。阅读本文,了解客户如何在原始机箱内为 8 端口 DIN 导轨安装以太网交换机添加 120 W PoE 功能。

应用案例概述

如负载已接入局域网,但安装位置距离交流电网或任何其他电源较远时,非常适合采用 PoE 供电。安装局域网电缆比电源电缆更容易,因为电压本质安全,并且也在 SELV(安全超低电压)限制范围内。

根据电缆的规格和长度、使用的电压以及设备的分类,PoE 标准支持为 WLAN 天线或摄像头等功耗最高 71 W 的远程受电设备 (PD) 负载供电。此时电力传输需要在不影响数据线传输的情况下耦合到局域网电缆上,而在大部分情况下,供电由单独的 AC/DC 电源完成,这不仅占用空间而且需要使用交流电源。但很多时候,客户认为这是向现有系统添加 PoE 功能的唯一方法。

将功率注入功能直接集成到集线器或以太网交换机中,可以简化问题的解决过程。这家客户希望将高功率 PoE 添加到其现有的 DIN 导轨安装工业以太网交换机中,以实现为负载远程供电。

由于该设备不仅用于新应用,还将作为改装件安装到现有机架中,因此最大的挑战是,将此附加功能安装到现有机壳中。机壳中并无额外的空间来放置必需的 PoE 电源,因此电源解决方案必须极为纤薄,并且功率损耗应尽可能小。

机架中的热条件可能各不相同,有些机架冷却效果良好并且仅有几个单元安装在 DIN 导轨上,有些机架则已装满、仅能采用对流冷却并且电源等散热设备直接安装在以太网交换机下方。

注入电缆的电压越高,电缆上的 I²R 损耗和压降就越低(功率损耗与电流的平方成正比),为电缆末端的负载提供的功率就越高。因此,客户希望获得比典型 DC/DC 转换器输出的标准 48 V 电压更高的电压,最低要求为 52 V。

PoE 标准要求直流电源对地隔离电压为 2250 VDC/60 s,绝缘等级为基本绝缘。

由于这些特殊要求,客户联系 RECOM 寻求解决方案,并要求解决方案基于标准的 180 W DC/DC 转换器,其输入电压为 24 V,输出可调节至 52.8 V。唯一需要进行的更改是缩短引脚长度。

最终,RECOM 提供了采用基板冷却的纤薄型半砖转换器,该转换器带有螺纹插件,便于安装到小型散热器上,以增强散热性能。平整的基板不需要在基板和散热器之间添加任何间隙填充材料,因此可以最大限度地降低热阻。

该转换器具有高达 91% 的恒定转换效率,可以保证在整个工作过程中损耗较低,不仅显著降低了系统中的热应力,还提高了整体可靠性。凭借这种配置及其低损耗特性,可在采用对流冷却的情况下,在高达 +60°C 的环境温度下工作,输出功率为 120 W。

转换器模块引脚长度从标准的 5.08 mm 缩短到 2.8 mm,以免与相邻 PCB 短路。机壳中的标准安装孔被替换为带螺纹的安装孔,从而在 PCB、模块和散热器之间实现了牢固的机械连接。

RP180H 具有基本绝缘,标准隔离电压为 2250 VDC/60 s,而许多其他制造商的产品只能提供功能性绝缘或更低的耐受电压,无法企及。

此外,还需要配备一个 12 VDC,1 A 辅助稳压电源,为以太网交换机供电。RECOM 提供了采用紧凑型 SIP8 封装的标准器件 RS12-2412SZ,实现了这一功能。

该器件在电路板上仅占用 21,8 x 9.6 mm 的空间,安装高度仅为 12.1 mm,因此可以与安装高度为 12.7 mm 的 RP180H 安装在同一块 PCB 上。

对标准产品进行改装后,RECOM 就解决了该客户遇到的所有挑战,同时为客户沿着产品路线图向前推进提供了简化的开发路径。

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