摘要
工業環境中的影像監控通常涉及在廠房內部署大量攝影機，這些攝影機透過 PoE 網路連接，僅需單一電纜即可同時提供數據與電力。在此類應用中，攝影機數量眾多引發了對每個受電裝置（PD）功耗的關注，這可以透過一系列節能運作模式來解決。
導言
工業影像監控設備的需求正在迅速增長（圖 1）。企業受益於影像系統為客戶與員工提供更高的安全性，協助偵測盜竊並監控員工是否遵守安全準則。影像監控的新興領域包括嵌入式視覺系統、擴增實境（AR）以及先進的行為、人臉、手勢和物件識別。
從類比轉向數位 乙太網路供電（PoE） 網路監控攝影機，實現了系統的可擴充性並增強了功能。在典型的 PoE 網路中，一組 IP 攝影機彙整至網路影像錄影機（NVR），再連接至路由器以存取網際網路。透過增加 PoE 交換器可容納更多攝影機。然而，部署多台攝影機會產生功耗問題。在本設計解決方案中，我們將討論 PoE 應用的受電裝置（PD）如何藉由多種節能模式來實現更高的系統效率。
圖 1：工業安全監控攝影機運作示意圖。
PoE 技術
乙太網路供電（PoE）是指透過傳統上僅用於傳輸數據的乙太網路電纜來傳遞電力的技術。透過 IEEE 802.3af/at 標準，供電設備（PSE）可向端點受電裝置（PD）傳輸高達 30W 的電力，同時支援 1000-BASE-T 數據流。2017 年制定的 IEEE 802.3bt 標準則進一步支援高達 90W 的電力傳輸與 10G-BASE-T 數據傳輸。
維持功率特徵 (MPS)
即使單個 PD 在最小負載下運行，仍會消耗運作功率。當整個 PoE 系統中所有 PD 的這類功耗加總後，會形成龐大的待機功耗並降低整體效率。例如，一個 48V 的 PD 埠若消耗 30mA 電流，功耗就接近 1.5W。為了監控低負載下的功率損失，IEEE 標準定義了維持功率特徵（Maintain Power Signature, MPS）方案。
為了避免被 PSE 斷開連接，PD 必須在特定的開啟與關閉時間內維持一定水準的平均電流。
受電裝置應用電路範例
圖 2 顯示了 MAX5995A/MAX5995B 受電裝置（PD）的典型應用電路。我們將以此 PD 為例，展示如何為 PoE 應用節省功耗。來自供電設備（PSE）的輸入電源透過 VDD 與 VSS 供應至此元件，而輸出功率則經由 VDD 與 RTN 輸出。此外，WAD 與 RTN 之間可連接壁式電源轉接器（Wall Adapter），以便由本地端供電。
該元件具備專用的 LED 接腳，可程式化在 MPS、睡眠（Sleep）或超低功耗睡眠（Ultra-Low-Power sleep）模式下輸出直流電流。LED 電流的大小可透過連接在 /SL 接腳上的 RSL 電阻值來控制。驅動 /SL 接腳可進入睡眠模式；將 /ULP 接腳拉低後再將 /SL 接腳拉低，則可進入超低功耗睡眠（Ultra-sleep）模式。/WK 接腳則用於退出任何睡眠或超低功耗睡眠模式。從 DET 到 VDD 連接一個電阻（RDET = 24.9kΩ），可實現單一特徵（Single-signature）PD 偵測。兩顆外部電阻 RCLSA/RCLSB 分別連接從 CLSA/CLSB 到 VSS，用於向 PSE 設定分級特徵（Classification Signature），並定義 PD 請求的功耗。
圖 2：MAX5995A/MAX5995B 應用電路。
表 1 顯示了與 MPS 功能相關的規格，其中最小電流適用於智慧 MPS（Intelligent MPS）功能。此電流定義為 24mA(IMPS_FALL)，而退出該模式的最大閾值為 28.7mA (IMPS_RISE)。MPS 特徵的高準位時間與低準位時間分別定義為 tMPS_HIGH與tMPS_LOW。請注意，tMPS_HIGH/tMPS_LOW = = 84ms/228ms ~27%，典型工作週期（Duty Cycle）約為 27%。此外，當元件處於 MPS 模式時，無法啟動睡眠或超低功耗睡眠模式。
表 1. MAX5995B 的 MPS 功能規格
該元件具備智慧 MPS 功能，當輸入電流低於約 24mA 的典型閾值時，會以 27% 的工作週期（典型週期為 312ms）調製輸入電流。此方案有助於實現以下優勢：
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透過按照特定模式調製電流，MAX5995B 可將平均直流電流降至 10mA 以下，從而降低功耗。
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在極低負載電流（或無負載）的情況下，MAX5995B 的智慧 MPS 功能可確保維持足以防止與 PSE 完全斷開連接的平均直流電流。如圖 3 所示，MAX5995B 透過在 312ms 的總週期內，維持 84ms 時長的非脈動直流電流來實現此功能。
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當元件進入睡眠或超低功耗睡眠模式時，MAX5995B 支援的 LED 驅動器會以 250Hz 的頻率發出週期性電流脈衝（振幅由連接在 VSS 接腳之間的電阻設定）。在 IC 內部，超低功耗睡眠模式與 MPS 模式使用相同的電路，導致 MPS 波形的低準位期間出現 250Hz 的脈動。圖 3 顯示當負載電流 (ILOAD) i降低，使得輸入電流低於 MPS 閾值時，元件進入 MPS 模式的情形。可以觀察到進入VDD 接腳的電流開始產生 MPS 模式，並在 MPS 的低準位期間看到 LED 電流波形。請注意，負載連接在 VDD 與 RTN 之間，進入 VDD 接腳的電流並非負載電流的直接反映。
圖 3：MAX5995B 在低運作電流下進入 MPS 模式的情形。
圖 4 顯示當負載電流增加並超過IMPS_RISE 閾值時，MPS 模式會關閉，且 VDD 電流不再呈現該模式圖形。
圖 4：當運作電流超過 MPS 閾值時，MAX5995B 退出 MPS 模式的情形。
睡眠與超低功耗睡眠模式可節省功耗
MAX5995A/MAX5995B 具備的睡眠模式（Sleep Mode）與超低功耗睡眠模式（Ultra-Low-Power Sleep Mode），允許受電裝置（PD）系統透過將 PG 接腳拉低以禁用後端的 DC-DC 轉換器，進一步降低功耗，同時仍能維持 MPS 電流與 PSE 的連接。這些省電模式可由某些外部應用驅動的條件觸發，或僅用於在閒置運作期間關閉系統。
睡眠模式 (Sleep Mode)
透過將 /SL 接腳驅動為低電位，元件即可進入睡眠模式。一旦進入睡眠模式，元件會取消斷言（de-assert）電源良好（PG）接腳，這最終會禁用下級 DC-DC 轉換器的輸出。進入睡眠模式後，LED 接腳開始按照連接在 /SL 接腳上的 $R_{SL}$ 電阻值輸出電流。元件將輸入電流維持在足以防止與 PSE 斷開連接的最小直流位準。圖 5 顯示了展示此行為的波形。
圖 5：MAX5995B 進入睡眠模式的情形。
將開漏（Open-drain）輸入接腳 /WK 拉低，可命令元件退出睡眠模式，並重新啟用 DC-DC 轉換器輸出。此外，退出該模式後，LED 電流也會隨之關閉。圖 6 展示了退出睡眠模式時出現的波形。
圖 6：MAX5995B 退出睡眠模式的情形。
超低功耗睡眠模式 (Ultra-Low-Power Sleep Mode)
除了睡眠模式外，MAX5995B 還支援超低功耗睡眠模式，可進一步降低功耗。與睡眠模式相同，超低功耗睡眠模式會取消斷言 PG 接腳，且 LED 接腳會根據連接的 $R_{SL}$ 電阻輸出恆定電流。此外，超低功耗睡眠模式會啟動 MPS 功能來調製輸入電流，因此比睡眠模式更能降低功耗。
要進入超低功耗睡眠模式，必須在 /ULP 接腳已拉低的情況下，再將 /SL 接腳拉低。圖 7 顯示了 MAX5995B 進入超低功耗睡眠模式的情形，$V_{DD}$ 輸入電流波形呈現出 MPS 模式圖形。
圖 7：MAX5995B 進入超低功耗睡眠模式的情形。
要退出超低功耗睡眠模式，請拉低 /WK 接腳，如圖 8 所示。
圖 8：MAX5995B 退出超低功耗睡眠模式的情形。
當元件處於 MPS 模式時，無法啟動睡眠（Sleep）與超低功耗睡眠（Ultra-sleep）模式。
結論
當多個受電裝置（PD）同時運作時，省電模式能大幅降低功耗並提升整個 PoE 系統的電源效率。MAX5995B 是一款適用於 PoE 應用的 IEEE 802.3bt 標準 PD 控制器，具備多種節能模式以實現更高的系統效率。透過智慧 MPS（Intelligent MPS）等功能，MAX5995B 能在低負載條件下實現省電模式，同時維持與供電設備（PSE）的連接，進而提升整個 PoE 系統的總體效率。
此外，MAX5995B 的睡眠模式（Sleep Mode）與超低功耗睡眠模式（Ultra-Low-Power Sleep Mode）可由系統主控制器透過專用的 /SL 與 /ULP 接腳啟動，這進一步降低了 PoE 系統的功耗。透過 MAX5995B 的睡眠模式，系統可以指令關閉連接至 PD 的主動負載；而超低功耗睡眠模式則在具備睡眠模式功能的基礎上，透過進入 MPS 模式運作來節省更多電力。
