搭配PoE与PLC——结合电能和数据传输的首选绿色高性价比方案

现今，市场上有多种不同的接口提供相同介质上的数据及电能传输。我们审视各种技术的优缺点时，就可以清楚发现以太网供电(PoE)和电力线载波(PLC)技术匹配良好；结合这两者会添增价值。电力线调制解调器利用已有电力线路的优势，将电力线用作通信通道，而PoE作互补技术，在以太网数据线缆上传输电能。在数据和电力网络中应用这两种技术最得心应手，可更节省成本、更灵活及更优化。为这种通信网络的各个部分选择恰当的技术，可以受益匪浅。

结合电能及数据传输技术

PoE、PLC及USB

PoE技术为传统以太网增加了电能传输能力。这种技术使用已有或新的数据线缆基础设施，将电能传输至以太网线缆上的设备。以太网线缆可以是CAT5、CAT5e或CAT6双绞线，每种双绞线都有不同的环路阻抗，提供略有差异的性能。其中，100米长CAT5双绞线的环路阻抗为20 Ω，而CAT5e或CAT6为12.5 Ω。由于数据线缆未受保护，且这技术使用直流(DC)电压，为安全起见，线缆上的最高电压电平被限制在57 V。这些线缆阻抗和电压电平约束为系统、特别是距离较远的系统的能效造成了一些限制。

根据IEEE802.3af标准，最大功率为13 W时线缆上的压降为7 V，故总损耗为7 V×350 mA=2.45 W。对于IEEE802.3at草案(D3.0)标准，25.5 W最大功率时的压降为9 V，相应地总损耗为9 V×600 mA=5.4 W。另一方面，这技术支持线缆长度达100米的千兆位以太网(GbE)，用于电能传输时会带来边际递增成本(marginal incremental cost)。

在频谱的另一方面，PLC技术利用已有电力线路的优势，以高于电力信号的频率传输数据。现今PLC技术有两种流行应用，第一种应用是小型办公室/家庭办公室(SOHO)网络，利用家中或办公室中现有的电力网络来传输数据。第二种是在工业应用，如电能计量(power metering)，以电力线缆来远程提供电表输出数据。

但PLC并不是没有自身的问题。主要的问题集中在电力线路本质上是极嘈杂环境的事实；设备每次开启或关闭时，电力线路上就会产生“爆音(Pop)”或“嘀哒(Click)”声。系统的设计必须处理这些自然信号干扰，并避免(work around)它们。这尤其适用于低误差率及线缆长度可能很长的工业环境。这类配置中通常使用频移键控(FSK)调制技术。这种方法确保高质量的数据，但不支持太高的数据率。SOHO应用中的线缆距离通常较短，但需要更高的数据率，故使用正交频分复用(OFDM)调制技术。这是一种支持较高数据率的多载波(multi-carrier)方案。

在相同介质上提供电能及数据的第三种技术是USB。与PoE和PLC相比，USB接口最常用于个人电脑(PC)外设。这种接口类型的一项不足是它只能为应用提供有限的功率。它的另一项不足是传输距离，因为它只能支持电源和应用之间大约4米的距离。这事实排除了USB众多潜在的家庭及工业应用。

图1对比了所有这三种技术。PLC在长距离传输电能和数据方面表现明显更胜一筹。但另一方面，由于在电力信号之上调制数据信号需要复杂的电子电路，PLC解决方案成本高昂。因此，这种技术并不能高性价比地用于单个设备，而是更适合用于交换机和集线器(hub)。

这三种技术的潜在威胁是无线局域网(WLAN)技术(如WiFi、WiMAX、蓝牙)，因为WLAN技术还减少了线缆数量，并能桥接长距离。在建筑物中使用无线技术的一项争议出现在混凝土结构中嵌入的金属材料的屏蔽效应，可能阻挡无线信号。因此，通常需要安装数个接入点(Access Point)来确保提供良好的信号覆盖。其次，要构建无线桥接环境，每种电器或设备中必须都有无线接入点，才能接收信号。与传统电源转换器结合在一起的无线接入点相较于支持PoE的标准以太网而言，存在成本劣势。对于工业环境而言，无线技术局限于用在不安全、非关键的应用，因为无线信号始终面对着被屏蔽或被意外事故干扰的风险。

恰当地平衡利用PoE和PLC技术能够带来优势

在最适合的地方利用PoE及PLC技术，就能够优化系统的成本及能效。如果我们考虑机顶盒(STB)等潜在的家庭应用，机顶盒总是放置在有电源插座的位置。

图2阐释了一种潜在的机顶盒家庭应用。网络通过非对称数字用户线路(ADSL)线路、光学光网络终端(ONT)或同轴网络进入家中。数据通过电力网络传输至家中的各个电源插口。在有机顶盒、语音IP电话(VoIP)或台式PC等高带宽应用连接至电源插口的各个房间，电力载波上的数据会可能传输至以太网线缆。为了支持这种传输，需要在电源插口上安装特别的设备。这设备包含PLC调制解调器，并结合了支持PoE的以太网交换机。目前市场上有售结合PLC调制解调器及以太网交换机的设备。然而，这些设备中的大多数仍然不含PoE。这表示每个设备需要不同的电源转换器来从支持PLC的交换机接收数据。下一步，PoE将增添至这些设备之中，可进一步优化及节省成本。

用户采用这种建议配置，将能够选择从哪个电源插口“接收(tap)”数据，选择方式就是在电源插口插入灵活的以太网交换机插头。支持PoE的线缆从各个以太网交换机插孔(jack)提供数据及电能给家用电器或设备。其结果是免除了应用的电源适配器，线缆用量减少至1条，并优化系统能效。此外，这种方法尽量利用已有基础设备的优势，因此PoE线缆的长度相对较长，减少了线缆损耗。

在以太网日趋普及地用作通信接口的工业环境中能够使用类似配置。以太网用于工业环境中的仪表、传感器、人机接口(HMI)、逻辑控制器及输入输出(IO)模块。结合PLC技术，数据能传送更远距离。

那么为什么结合这两种技术有如此优势呢？可能提出的一个问题是为什么PLC调制解调器不移至机顶盒内部，从而无需支持PoE的以太网和PLC电源插口？答案是PLC调制解调器是一种昂贵设备，相较于PoE接口而言有成本劣势。这表示在每个家用电器中集成PLC调制解调器在经济上并不合算。

PoE还能够替代传统电源的直流-直流(DC-DC)控制器，提供额外的成本及设计简化优势。另外一种选择是在不采用中间(intermediate) PLC技术，考虑在所有家庭提供PoE。对于较大的办公室而言，100米的线缆长度限制只是表示需要中间集线器(intermediate hub)来桥接更长距离。当然，每栋建筑物的完整距离范围内都已存在电力线缆。在电力线缆上传输数据，无需集线器就能够桥接覆盖到这些建筑物内的长传输距离。第二，存在敷设线缆及线缆本身成本的问题。结合使用PLC及PoE，就能够避免在建筑物范围内敷设CAT5e线缆的投资。

结合这两种技术的另一项优势是PoE被推至网络的极边缘(very edge)。PoE仅用于最后的数米，因此大幅缩短了线缆长度。反过来这也使线缆中的电能损耗极低。较短的线缆还适合于更高功率的应用。设计人员能够考虑当前由IEEE802.3at标准草案建议的高于25.5 W功率电平的专有解决方案。

安森美半导体目前提供两款PoE用电设备(PoE-PD)器件——NCP1081和NCP1083，均符合即将发布的IEEE802.3at标准，但也能支持两对线缆上达 40 W的功率电平，以及使用所有4对以太网线缆传输电能时支持达80 W的功率电平。

安森美半导体在PLC调制解调器领域为工业应用提供数款器件，例如，AMIS-30585提供全套调制解调器，它使用FSK调制技术，为计量、传感器和公用事业机构的负载控制提供强固及可靠的网络接口。

结论

在建筑物和工业自动化或家庭及办公室应用中搭配使用PoE和PLC这两种已有技术，能够提供数项优势，既有可能优化电力及数据网络的敷设成本，同时又能维持整个系统较高等级的能效。

作者：Koen Geirnaert，安森美半导体产品市场营销经理

email: Koen.Geirnaert@onsemi.com