以太網(wǎng)供電技術（PoE，Power over Ethernet）使一些小型網(wǎng)絡設備，例如IP電話、WLAN接入點、網(wǎng)絡相機等，可以直接從以太網(wǎng)線獲得電源，不必再單獨鋪設電力線。這樣大大簡化了布線，降低了網(wǎng)絡基礎設施的建設成本。另外，通過UPS備份的局域網(wǎng)供電，還可以使網(wǎng)絡設備免受電網(wǎng)掉電的影響，像傳統(tǒng)電話那樣，在停電的時候仍然可以運轉(zhuǎn)。
IEEE802.3af標準
為了規(guī)范和促進PoE市場的發(fā)展，IEEE 802.3工作組專門制定了一個標準，即IEEE 802.3af，作為以太網(wǎng)標準的延伸。該標準的制訂工作開始于1999年，并于2003年6月最終獲得通過。標準的訂立，再加上VoIP、WLAN市場的迅猛增長，使得PoE也迅速被市場所接受。為了安全、可靠地將PoE技術引入現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施中，并且和原有的網(wǎng)絡設備相兼容，IEEE 802.3af標準對于網(wǎng)絡供電的電源、傳輸和接受都作了細致的規(guī)定。在設計依靠網(wǎng)絡供電的應用時，必須嚴格遵守這些規(guī)定，才能夠從網(wǎng)絡獲得電源，在停電的時候仍然可以運轉(zhuǎn)。
PoE系統(tǒng)的構成
在PoE系統(tǒng)中，提供電源的設備被稱為供電設備PSE(Power Sourcing Equipment)，而使用電源的設備稱為受電設備PD(Powered Device)。PSE負責將電源注入以太網(wǎng)線，并實施功率的規(guī)劃和管理。可以采用兩種類型的PSE：一種為“Endpoint PSE”，另一種為“Mid-spanPSE”。Endpoint PSE就是支持PoE的以太網(wǎng)交換機、路由器、集線器或其它網(wǎng)絡交換設備。
mid-span PSE是用來將以太網(wǎng)供電功能添加到現(xiàn)有網(wǎng)絡的一種設備。它專門用于電源管理，并通常和交換機放在一起，和交換機一樣也有多路輸入輸出RJ-45端口，對應每路的兩個RJ-45插孔，一個用短線連接至不具有以太網(wǎng)供電功能的網(wǎng)絡交換設備，作為數(shù)據(jù)輸入口；而另一個連接到支持802.3af供電的遠端用電設備(PD)，作為數(shù)據(jù)/電源雙用的RJ-45輸出口。mid-span設備通常通過未使用的4/5和7/8線對來承載供電，剩下的部分預留給數(shù)據(jù)傳輸。
電源在機箱內(nèi)被注入網(wǎng)線而信號未作任何調(diào)整。PD則有多種形式，如IP電話機、網(wǎng)絡攝影機、無線橋接器、收銀機、安全存取與監(jiān)測系統(tǒng)等。實際上，任何需要數(shù)據(jù)連接并能在13W 或更低功率下工作的設備都可無需AC電源或電池供電，僅從RJ-45插座就能夠得到相應的電力。
供電設備PSE
PSE負責PoE系統(tǒng)的電源管理。它連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡上PD設備的連接狀況，并根據(jù)PD的功率要求，將適當?shù)碾娏νㄟ^五類電纜中的信號線對(Endpoint PSE)或備用線對(Mid-span PSE)輸送到PD，并在PD下線時切斷電源。
Endpoint PSEs支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T網(wǎng)絡。Endpoint的PoE系統(tǒng)中的PSE 可以在信號線對之間或備用線對之間(但不是兩者同時)提供標稱48V的DC電源。其中在信號線對之間傳輸電力時，48V電源通過向耦合變壓器的中間抽頭供電以共模方式施加在雙絞線上，對于差分數(shù)據(jù)信號沒有影響，并且由于耦合變壓器的隔離，也不會對數(shù)據(jù)收發(fā)器產(chǎn)生影響。Mid-span PSEs只支持10BASE-T和100BASE-TX網(wǎng)絡，而對1000BASE-T網(wǎng)絡的支持802.3af標準目前還未定義。Mid-span PSE在備用線對之間提供48V的DC電源。Mid-span PSE較Endpoint PSE需要額外的線纜，占用了更多的空間，并增加了系統(tǒng)成本。
在允許PSE向線路供電之前，它必須用一個有限功率的測試源來檢查特征電阻，以避免將48V電源加給非兼容PoE的網(wǎng)絡設備，對其造成危害。在加電之前，PSE首先用2.8V-10V的探測電壓去偵測是否有PD接入。具體實施時，是將2.8V-10V之間的兩個電壓(間隔在1V或以上)送到網(wǎng)絡鏈路，然后根據(jù)得到的兩個不同的電流值再作運算(ΔV/ΔI)。為了便于PSE識別，IEEE802.3af對于PD在偵測過程中的表現(xiàn)(特征)作了規(guī)定。
IEEE802.3af對于PD偵測特征的規(guī)定
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參數(shù) |
有效的PD偵測特征 |
無效的PD偵測特征 |
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ΔV/ΔI (斜率) |
19kΩ＜RPD＜26.5kΩ |
RPD＜15kΩ或RPD＞33Kω |
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輸入電容 |
CPD＜0.6µF |
CPD＞ 0.6µF |
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偏移電壓 |
＜2.0V |
— |
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偏移電流 |
＜12µA |
— |
一旦偵測到有效的PD，PSE需要了解PD的用電量，便于系統(tǒng)對電源的管理。這個過程稱為PD分級(IEEE標準規(guī)定此過程是可選的)。這一階段，PSE利用一個15.5-20.5V的探測電壓來檢測PD的功率級別。通過從線上吸收一個恒定電流——分級特征信號，PD向PSE表明自己所需的最大功率。PSE測量這個電流，以確定PD屬于哪個功率級別。分級期間使用的PSE電壓源必須限制到100mA，以避免損壞失效的PD，而且它的連接時間不能超過75ms，以對PD功耗加以控制。
IEEE802.3af對于PD分級的規(guī)定
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IEEE802.3af級別 |
分級特征電流 |
PD最大功率 |
說明 |
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0 |
0-4mA |
12.95W |
PD功率未知，不分級 |
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1 |
9-12mA |
3.84W |
低功率PD |
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2 |
17-20mA |
6.49W |
中功率PD |
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3 |
26-30mA |
12.95W |
全功率PD |
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4 |
36-44mA |
12.95W |
保留，功率情況同0級 |
成功偵測和分級后，PSE就可向PD供電了。供電期間，PSE還要對每個端口的供電情況進行監(jiān)視，提供欠壓和過流保護。
PSE不能向非PD設備傳輸電力，同樣PSE也不能在PD已經(jīng)斷開后還使電源處于接通狀態(tài)。因為供電電纜有可能會插在一個非PD設備上，或引起線纜的短接。IEEE802.3af標準規(guī)定了兩種方法讓PSE檢測PD是否斷開，即DC斷路檢測法和AC斷路檢測法。不同的芯片供應商根據(jù)系統(tǒng)的實際情況選擇了最適合他們系統(tǒng)的檢測方法。
DC斷路法根據(jù)從PSE流向PD的直流電流大小，判斷PD是否在線。當電流在給定時間tDIS(300ms-400ms)內(nèi)保持低于閾值IMIN (5mA-10mA)時，PSE就認為PD不存在，從而切斷電源。
這種方法的缺點是，當PD工作在低功耗模式時，為避免掉線，PD必須周期性地從線上吸取一定的電流。AC斷路法是測量以太網(wǎng)端口的交流阻抗，當沒有設備連接到PSE時，端口應該是高阻抗，可能達到幾MΩ；而當接有PD時，端口的阻抗會小于26.5kΩ；如果PD消耗大量功率，那么阻抗通常會更低。端口阻抗(ZPORT)通過加電壓(VAC)和測量得到的電流(IAC)來決定，即
ZPORT = VAC / IAC
目前已有多家半導體廠商提供了符合IEEE802.3af規(guī)格的PSE控制器。這些器件在降低系統(tǒng)成本、提供更高可靠性的同時，也加速了以太網(wǎng)供電的廣泛普及。這些控制器為凌特公司(Linear)的LTC4258/59、德州儀器(TI)的TPS2383、美信公司(Maxim)的MAX5922A/B/C及即將上市的MAX5935。
受電設備PD
首先，PD應能通過信號線或備用線接收電源，通常由二極管對兩個電源進行線“或”來實現(xiàn)，因為IEEE規(guī)格要求同時只能有一個線對傳輸電源；同時PD應該能不受電源極性的限制，這通�？梢允褂谜鳂蚧蚱渌椒▉韺崿F(xiàn)自動極性轉(zhuǎn)換。
當PSE用2.8V-10V之間的電壓偵測時，PD的輸入端口可具有高達1.9V的偏移電壓(以容許二極管的壓降)和10μA的偏移電流(漏電流)。當PSE用15.5V-20.5V之間的電壓偵測時，PD需要通過吸收一定的恒流來表明自己所需要消耗的功率(可選)，所以PSE能預算PD的功耗，同時也方便PSE對電源的管理。
探測和分級完成后，PD就會從PSE獲得一個44V-57V的電壓，這時PD 要遵守幾條規(guī)定。在端電壓升到30V以前，不應該消耗太大的負載電流，以避免與分級特征信號互相干擾；當電壓達到42V時，必須處于完全工作狀態(tài)。工作狀態(tài)時PD端口電壓應該在36V-57V之間，而當PD的端口電壓跌落到30V-36V之間時，PD應該關斷端口。PD工作時不能連續(xù)消耗350mA電流或12.95W功率，短時內(nèi)允許有400mA的浪涌電流。PD的輸入電容必須低于180μF，以便在電源接通時將浪涌電流保持在合理的水平；如果輸入電容大于180μF，PD就要主動限制浪涌電流，使它低于400mA。最后，PD至少要保持10mA的電流且交流阻抗要維持在26.25kΩ或更少，以避免掉線。
為了使PD符合IEEE802.3af標準的要求，簡化設計任務，同樣幾大半導體廠商相繼推出了PD接口控制器�？捎玫慕涌诳刂破饔械轮輧x器(TI)的TPS2370/TPS2371/TPS2375，凌特公司(Linear)的LTC4257/LTC4257-1，美信公司(Maxim)的MAX5940A/MAX5940B、MAX5941A/B、MAX5942A/B，Supertex公司的HV110K4以及Power Integrations公司的DPA423G。
隨著PoE的實施規(guī)模逐漸擴大，RJ-45插口將成為一種通用電源插口，若干年后人們甚至將不記得有過以太網(wǎng)端口不能供電的時代。PowerDsine公司甚至預測今后五年內(nèi)，企業(yè)網(wǎng)絡設備的75%以上將由以太網(wǎng)供電。
業(yè)內(nèi)人士預測，今后可以考慮將PSE電源管理芯片集成到RJ-45內(nèi)，就如近幾年連接器供應商將網(wǎng)絡隔離變壓器集成到RJ-45內(nèi)一樣。以太網(wǎng)供電技術同時也存在著一些問題，例如在PSE設備端口比較多的情況下，設備需要提供的電源功率會很大。這時系統(tǒng)的散熱應該引起足夠的重視，否則PSE設備將會是一個大熱源。這些都有待今后加以解決。
進一步信息，請訪問深圳市核達中遠通電源技術有限公司http://www.vapel.com/vapel/cn/images/zhishi/15.pdf。
