臺灣博碩士論文加值系統

物聯網、工業 4.0、門禁系統、現代智能辦公設備，更成為智慧城市重要的基礎設施，而PoE (Power Over Ethernet)這種技術則是可以在乙太網中透過雙絞線來傳輸電力與資料到裝置上的技術。
IEEE推出802.3af/at標準後，加上乙太網路被廣泛應用下，全球均普遍採用RJ45連接器，PoE具備遠程供電及斷電能力，且不需要電源適配器(Adaptor)，對於受電端無需額外的電源插座，不須考慮不同國家的電壓標準，相較於傳統的電力線，可省去佈線上的時間與材料成本，達到降低成本的目的。我們可在許多店家、百貨公司或公車上，看見數位電子看板或All In One精簡型電腦，達到店家或客戶想要的廣告效益，透過PoE這項供電技術，只要一條簡單的乙太網路線，便可簡化後端電腦的複雜性，同時支援距離可達100公尺。
於是本論文提出一種利用四對乙太網路線供電，再透過自行定義PoE的溝通方式，突破目前IEEE 802.3af/at所限制之瓦數，重新設計供電端(PSE)與受電端(PD)的電路板，把原先IEEE 802.3at限制最高供電端只能提供30W提升至90W，其次，將乙太網路供電方式由兩對改用四對供電，可以大大降低經過100公尺長度後網路線上的功耗損失，另外利用MOSFET取代原先的橋式整流，提高整體效率，同時可以解決機構在散熱上的問題，讓後端裝置可獲得更大的電力來源，最後利用返馳式轉換器將其改為同步整流，把電壓降轉成電子數位看板所需的直流電源，且同時能利用網路作資料傳送。
在目前數位電子看板裝置下，各家的供電標準並未統一，插座的孔徑大小不一致的情況下，雖然USB可以應用在大部份的行動裝置或穿戴式系統上，但對於許多工業控制系統，USB介面所能提供的功率仍明顯不足，而無線供電技術，目前還是效率不佳以及也有規格尚未統一的問題，剛好在工業系統乙太網路接口成為其標準配備，不用考慮到電源架設的問題，供電距離又能延伸至100公尺外，透過此研究可應用在連鎖商店之電子看板，可以簡化店內狹小空間佈線上的複雜性與成本問題，也可以解決系統在24小時運作上面之散熱問題，減少系統整合所造成的不便。

Internet of Things, Industry 4.0, access control systems, and modern intelligent office equipment have become important infrastructures for smart cities, and the PoE technology can transmit power and data to the device by Ethernet cable.
In this thesis, we use the four pairs of Ethernet routes, and then through the self definition of PoE communication, re-design the PSE and the PD board, which can overcome the limitation of IEEE802.3af /at specification from 30 watt to 90 watt. The power supply on the Ethernet network is changed from two pairs to four pairs, which can greatly reduce the power consumption by 100 meters Ethernet cable. In addition, using the MOSFET to replace the Diode bridge rectifier can improve the overall efficiency, and solve the problem of thermal dissipation at the same time. Finally, re-design the fly-back circuit to synchronous rectification, and provide the power to end device.
Currently, the power supply standards of various companies are not uniform. Although USB can be applied to most mobile devices or wearable systems, but it is still not enough for many industrial systems. Therefore, this research can be applied to the Digital Signage in Retail or department store, which can simplify the complexity and decrease cost of connection. Moreover, the heat problem also can be solved in 24-hour operation of system.

目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX

第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章 研究背景與原理 4
2.1 POE系統架構 4
2.2 IEEE 802.3AF/AT規範介紹 8
2.3 PSE和PD端溝通原理 10
2.4 網路變壓器 13
2.4.1 變壓器原理 14
2.4.2 共模扼流線圈 15
第三章 電路設計與實作 18
3.1 POE系統架構設計 18
3.2 PSE系統實作板 20
3.2.1 供電設備控制器 20
3.2.2 電源耦合及分離 21
3.3 PD系統實作板 22
3.3.1 系統I/O PORT 22
3.3.2 電源與網路數據隔離 23
3.3.3 整流線路 23
3.3.4 電源開關控制器 26
3.3.5 返馳式電源轉換器 28
3.4 系統工作流程圖 35
第四章 系統效率分析 36
4.1 乙太雙絞網路線 36
4.2 橋式整流器 39
4.3 返馳式電源轉換器 43
第五章 結果與驗證 50
5.1 測試流程與量測方式 50
5.2 效率比較與量測結果 52
5.3 整流器溫昇結果比較 60
5.4 供電結果 61
第六章 結論與未來展望 62
參考文獻 63

圖目錄
圖2.1 POE系統架構 4
圖2.2 Mid-Span/End-Span網路架構 5
圖2.3 Mid-Span供電方式 7
圖2.4 End-Span供電方式 7
圖2.5 PSE偵測PD判斷方式 10
圖2.6 IEEE802.3af受電順序1 2
圖2.7 IEEE802.3at受電順序 12
圖2.8 網路變壓器內結構 13
圖2.9 理想變壓器電路[7] 14
圖2.10 差模的傳導路線 15
圖2.11 共模的傳導路線 16
圖2.12 共模電感等效電路 16
圖2.13 結構與原理圖 17
圖3.1 PoE系統架構圖 18
圖3.2 系統裝置接線圖 19
圖3.3 PSE實作系統方塊圖 20
圖3.4 PD實作系統方塊圖 22
圖3.5 傳統橋式整流器架構 24
圖3.6 綠能橋式整流器架構 25
圖3.7 IN1為正半週時整流路徑[10] 25
圖3.8 電源管理晶片控制線路 26
圖3.9 LTPoE++溝通行為[11] 27
圖3.10 返馳式基本之電路架構圖[12] 28
圖3.11 返馳式轉換器導通電路圖 29
圖3.12 返馳式轉換器不導通電路圖 29
圖3.13 操作狀態一( Son，DoOFF，0 ≤ t ≤ DTS ) 30
圖3.14 操作狀態二( SOFF，Doon，DTS ≤ t ≤ TS ) 31
圖3.15 連續模式下各點之電壓電流波形 32
圖3.16 操作狀態三( SOFF，DoOFF，D3TS ≤ t ≤ TS ) 33
圖3.17 不連續模式下各點之電壓電流波形 34
圖3.18 系統工作流程圖 35
圖4.1 PoE系統三大功耗損失分佈圖 36
圖4.2 乙太網路電源兩對與四對架構 37
圖4.3 二極體整流方塊圖 39
圖4.4 MOSFET整流方塊圖 40
圖4.5 PSMN075-100MSE參數規格[17] 41
圖4.6 Fly-back 轉換器之基本電路圖 43
圖4.7 功率晶體切換損耗 44
圖4.8 二極體導通暫態圖 45
圖4.9 二極體截止暫態圖 46
圖4.10 變壓器等效損耗電路 47
圖4.11 銅損與鐵損之間關係 48
圖4.12 返馳式效率曲線圖 49
圖5.1 網路封包偵測回報 50
圖5.2 系統效率量測架設圖 51
圖5.3 輸出15.3W實際抽載 52
圖5.4 輸出29.7W實際抽載 52
圖5.5 IEEE 802.3at效率曲線圖 53
圖5.6 輸入15.3W實際抽載 54
圖5.7 輸入28.8W實際抽載 54
圖5.8 輸入44.1W實際抽載 55
圖5.9 輸入60.9W實際抽載 55
圖5.10 輸入80.6W實際抽載 56
圖5.11 輸入91.5W實際抽載 56
圖5.12 自定義供電技術效率曲線圖 58
圖5.13 IEEE 802.3at供電損失佔比 59
圖5.14 自定義供電損失佔比 59
圖5.15 整流器溫度比較 60
圖5.16 實際系統應用連接圖 61

表目錄
表2.1 IEEE802.3af標準 9
表2.2 IEEE802.3at標準 9
表2.3 IEEE802.3af分類 11
表2.4 IEEE802.3at分類 11
表3.1 自定義分類 21
表4.1 純網路線功率損耗比較表 38
表4.2 兩種整流方式之傳導損失比較 42
表4.3 轉換效率表 49
表5.1 IEEE 802.3at效率轉換表 53
表5.2 自定義供電技術效率轉換表 57

[1] G. Mendelson, “All You Need to Know about Power Over Ethernet (PoE) and the IEEE 802.3af Standard,” Microsemi Corporation, June 2004.
[2] IEEE Std 802.3af-2003 (Amendment to IEEE Std 802.3-2002, including IEEE Std 802.2ae-2002).
[3] C. Stanford, “ PoE Plus IEEE 802.3at Classification Ad Hoc Extended Classification Using Two Classification Events,” Linear Technology, 2007.
[4] IEEE Std 802.3at-2009 (Amendment to IEEE Std 802.3-2008).
[5] IEEE 802.3-1990 (also known as ANSI/IEEE Std 802.3-1990 or ISO 8802-3:1990(E), Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications.
[6] Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku, Fundamentals of Electric Circuit, Singapore: McGraw-Hill, 2000.
[7] 羅貿鴻, “應用於RJ-45網路介面之微機電平面化變壓器設計,” 碩士論文, 中華大學, Aug. 2009.
[8] Umran S. Inan, Aziz S. Inan, Engineering Electromagnetics, California: Addison- Wesley, 1999.
[9] Data sheet “LTC4274 Single PoE+ PSE Controller,” Linear Technology, 2009.
[10] Data sheet “LT4320/LT4320-1 Ideal Diode Bridge Controller,” Linear Technology, 2013.
[11] Data sheet “LT4276 LTPoE++/PoE+/PoE PD Flyback Controller,” Linear Technology, 2015.
[12] 江建成, “單級功因修正返馳式電源轉換器之製作,” 碩士論文, 國立中山大學, July 2007.
[13] 梁適安, “交換式電源供應器之理論與實務設計(第八版),” 全華科技圖書有限公司, Oct. 2006.
[14] 梁適安, “高頻交換式電源供應器原理與設計(第二版),” 全華科技圖書有限公司, Jan. 2008.
[15] Data sheet TIA/EIA Standard “ANSI/TIA/EIA-568-B.2 Commercial Building Telecommunications Cabling Standard,” Apr. 2001.
[16] Application Note “AN-9759 Fairchild Green Bridge Solution to Replace Conventional Diode Bridge in Power Over Ethernet Applications,” Fairchild Semiconductor, Aug. 2013.
[17] Data sheet “PSMN075-100MSE,” NXP Semiconductor, Mar. 2013.
[18] Davis Wen, Application Note “AN005 Analysis of Buck Converter Efficiency,” Richtek Technology, Mar. 2014.
[19] 施承德, “返馳式電源供應器之研究,” 碩士論文, 國立台北科技大學, July 2008.
[20] W.A. Tabisz, P.M. Gradzki and F.C.Y. Lee, “Zero-Voltage-Switched Quasi-Resonant Buck and Flyback Converters-Experimental Results at 10 MHz,” IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 4, No. 2, Apr. 1989, pp. 194-204.