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以太网供电(PoE):规划设计与实际应用注意事项

2020-08-07 09:03
千家网
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By Zoran Borcic

Draka全球数据通信产品经理Zoran Borcic任务PoE正在处于快速发展阶段。根据研究,他表示具有PoE功能的端口数量在过去五年中增长了两倍,并且可以传输越来越多功率的网络线缆正在推动这一趋势。

PoE最初是为传统电话提供电力,在其他领域也越来越重要:物联网(IoT)、智能办公室和住宅布线以及办公室和工业中许多与网络兼容的设备。PoE通过单根电缆传输电源和数据,从而节省了购买和额外布线所需的成本。

PoE注入器或交换机/集线器用作电源。企业使用这项技术来为远程设备,例如网络监控摄像头或WLAN接入点,这些设备通常安装在难以接近的地方。PoE的另一个优点是通过中央不间断电源(UPS)增强了连接设备的可靠性。断电时可以连续运行。

PoE标准:崭新的机遇世界

两种变体可用于在电力供应(电源设备、PSE)和能量消耗器(受电设备、PD)之间传输能量。备用对过程仅将自由线对4/5和7/8用于PSE和PD之间的电源。通过幻象电源、电压通过所有电线对提供,这些电线对也用于数据传输。这意味着电流流过数据线。

最新标准IEEE 802.3bt指定了四对PoE上可达到的最大功率,介于72至90瓦之间。由于具有更高的性能,现在甚至可以通过数据电缆为更大的终端设备(例如全高清IP电视设备)供电。线缆制造商一直在努力进一步发展网络数据线缆的PoE性能,因为认识到PoE工艺所需的有限功率输出仍然是该技术广泛采用的最大缺点。

布线上PoE的热量管理

传输电力意味着电缆/链路/通道的负载增加,通常会导致电缆束温度升高。数据线缆支持的功率越大,电缆中产生的热量就越大。电缆的欧姆电阻会发热,最大通道为25Ω/ 100m。此外,线束的大小和安装环境直接影响电缆的散热,从而导致温度显着升高。

需要特别注意跳线。包含两/三根跳线的通道,其导线比线缆小(电阻更高)可能会导致产生更高的温度。

此处使用的线缆通道类型是决定性的考虑因素:电网电缆通道、多孔电缆系统或由塑料制成的完全封闭的管道通道将对温度产生明显不同的影响。与封闭的管道相比,铺设在开放式格栅上的电缆显然可以通过气流降温。EN-50174-2标准在4.5.4.2中规定,填充度不得超过40%。正确的规划、维护和执行安装将直接影响线缆的PoE性能。

规划PoE应用时,必须优先考虑线缆通道的热量管理。长时间持续加热和冷却将改变电缆的性能。用铜线尺寸较小或长度增加的产品替换跳线可能会改变捆扎/安装乃至整个系统的稳定性。

PoE通道上的热量堆积也会对连接组件产生负面影响。存在真正的风险,即如果在负载下断开连接,则会产生火花,从而可能损坏触点。

提高PoE效率

4对线缆的最高工作温度为60°C。如果温度超过此极限,则传输性能会下降,绝缘材料会软化并伴有永久的结构对称性损失。

要优化PoE通道的效率,需要考虑电缆(60°C)和组件(50°C)的最高工作环境温度,需要考虑的其他因素是功率损耗和散热。

计算方式:

50°C的最高环境温度+功率损耗–散热= <60°C的最高热量限制

(50°C maximum ambient temperature + power loss – heat dissipation = < 60°C maximum heat limit)

为了获得最佳性能,因此功率损耗与散热的总加热效果之和不得超过10°C。

为了保持此10°C的工作极限,必须降低功率损耗或增加散热量。功率损耗的大小取决于所使用的电流、电阻和PoE对。影响散热的其他因素包括束的大小、跳线、屏蔽和气流。

如何降低功率损耗?

关键考虑因素是DC环路电阻,环路电阻越高,设计人员可获得的灵活性越小。具有24 AWG导体(通常为Cat.5e)的线缆的DC-LR为173.86Ω/ km。

具有22 AWG导体或0.645mm(通常为Cat.7a)的线缆的DC-LR为108.70Ω/ km。这样可提供比AWG 24高60%的工作范围。简单地说,较大的导体直径可将PoE范围扩大两倍。

如何增加散热量?

除了更大的导体直径,屏蔽电缆还对散热产生积极影响。屏蔽层的金属有助于散发内部产生的热量。较小的束和较大的流动气流也会促进散热。屏蔽电缆可在设计阶段为热量管理提供更大的灵活性。

规划准则

EN 50174-2的表4说明了温度如何增加传输路径的影响。

为了实现与由90米长的永久链路和10米跳线组成的电缆通道相同的传输性能,该电缆通道在20°C的环境温度下工作,在60°C时的同一通道需要缩短20%。这非常清楚地说明了在计划阶段进行热量管理的重要性。如前所述,规划不当或更换导线较小的跳线会进一步影响这种效果。始终应避免使用导体小于26 AWG的跳线。

基本捆绑测试

为了进一步说明电缆导体尺寸对热管理影响的重要性,ISO / IEC TR 29125进行了每对1000 mA电缆束的附加测试。

发现在使用24AWG(Cat.5e)导体尺寸的情况下,在10°C极限下的最大线束尺寸为37。在同一测试方案中,可以将具有22 AWG(Cat.7a)导体的电缆放入在达到10°C的临界值之前,请使用64束电缆。

总结

从Cat.5e到Cat 8.2的所有电缆类别均支持PoE标准802.3af,at和bt。但是,当考虑到热量产生的严重影响以及因此需要进行热量管理时,在可以使用的最大束尺寸和可以达到的最大驱动距离之间存在显着差异。很明显的情况是,导体的尺寸和电缆的屏蔽层越大,在规划阶段就可以提供更大的灵活性,并且在规划和持续维护时都会对跳接电缆的选择提出最后的反复警告。(编译/千家网)

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