【導讀】以太網(wǎng)供電（PoE，Power Over Ethernet）是一種剛被批準為IEEE 802.3af標準的供電技術。它利用了普遍存在的通用以太網(wǎng)絡，在傳送數(shù)據(jù)包的同時完成直流電源的輸送工作。最近批準的這個IEEE標準似乎將成為第一個通用電源插口或插座定義在全球范圍使用的實例。
對諸如IP 電話、無線接入點以及網(wǎng)絡監(jiān)控攝像頭等需要持續(xù)供電的各種連網(wǎng)設備來說，不必再連接自己的交流電源。這些設備無需放在交流電源插座附近，所以可以省掉電源電纜。
在PoE系統(tǒng)中，通過現(xiàn)有以太網(wǎng)接受電源的客戶端設備叫做受電設備(PD)，為PD提供電源的設備叫供電設備(PSE)。PD的功耗限制在12.95W，PSE 輸出限制為每個RJ-45 端口15.4W。在以太網(wǎng)連接電纜和物理層設備(PHY)變壓器保持良好平衡的情況下，每個PD最多可以獲取350mA的連續(xù)電流。
考慮到沿CAT-5以太網(wǎng)傳輸線（可達100米長）的電壓降，IEEE標準為PD和PSE規(guī)定了不同的功率額定值。在較長的鏈路上電壓降會更明顯，因此 PSE 的輸出電壓要高于標稱的 48VDC，以使 PD 獲得最大功率。因此，在以太網(wǎng)鏈路上到處都可以見到高達57VDC 的電壓。
大多數(shù)PoE 網(wǎng)絡可以采用端點(endpoint)或中跨式(midspan)PSE 實現(xiàn)。端點PSE在單個設備里集成了以太網(wǎng)交換機和電源，它被放置在以太網(wǎng)鏈路的另一端。因為在以太網(wǎng)鏈路的端點已存在電源，這種類型的PSE提供了實現(xiàn)PoE網(wǎng)絡的最簡便的方法。這種以太網(wǎng)交換機有時也稱為已具備“線上電源”(inline power)。如圖 1所示，端點PSE很適合用來部署新的基礎網(wǎng)絡。
圖 1：對端點PSE和PD設備來說，電源是通過信號線對分配的
這種類型的PSE提供了實現(xiàn)一個PoE網(wǎng)絡最簡便的方法，因為電源已經(jīng)通到了以太網(wǎng)連接的端點上。
對于那些不能用這種方式升級的現(xiàn)有以太網(wǎng)，可以采用中跨式PSE，將電源插入到以太網(wǎng)里。中跨式PSE可以通過CAT-5電纜中的“空閑線對”提供電源，如果只有幾個以太網(wǎng)設備需要供電，這是一個最具成本效益的方法。例如有4至24端口的局域網(wǎng)，它可以是更大規(guī)模的多端口網(wǎng)絡系統(tǒng)的一部分（見圖2）。端點PSE與中跨式PSE不同之處在于它的供電選擇方式——可以與信號線在同一線對上，也可以在空閑線對上。一般來說，一個PSE必須能夠通過信號線對或空閑線對提供電源，但不必兩者都用。
圖 2：對中跨式PSE和PD設備來說，電源是通過空閑線對分配的
中跨式PSE方法更適用于不進行大規(guī)模變動的現(xiàn)有以太網(wǎng)。
雖然看似簡單，但設計這種系統(tǒng)要付出相當?shù)呐ΑＫ鼈儽仨毦邆湎蚝蠹嫒菪裕员ＷC老設備不會在以太網(wǎng)上接到48VDC電壓。IEEE 802.3af包含了向后的兼容性，并且包括了為以太網(wǎng)供電的可選擇性，因而也具備向前兼容性。對于一位設計人員，如果他正在開發(fā)的產(chǎn)品計劃運行在新的或現(xiàn)有系統(tǒng)——用于千兆以太網(wǎng)或 1000BASE-T/TX，從本文中將會得到一些啟示。
面對千兆以太網(wǎng)的電纜選擇
千兆以太網(wǎng)可以與端點PSE一同工作，但不能采用中跨式PSE，因為它把CAT-5電纜中的所有四對線都用于數(shù)據(jù)傳輸。與之相比，10BASE-T 和 100BASE-TX 只用兩對線傳輸數(shù)據(jù)（線對1-2和3-6），留下的空閑線對（4-5和7-8）可以引入中跨式電源。因此，為了給千兆以太網(wǎng)提供線路供電，就需要端點 PSE 交換機。
IEEE 802.3af支持CAT-3電纜，因為它最初用于10BASE-T系統(tǒng)。但是，為了最大限度地保證新網(wǎng)絡部署中信號的完整性，并且考慮到每次電纜鋪設一般有10年的使用期，我們推薦使用盡可能高等級的以太網(wǎng)電纜（CAT-5e 或 CAT-6）。千兆以太網(wǎng)（具體講是 1000BASE-T）需要CAT-5電纜，但有些使用CAT-5的應用以及千兆以太網(wǎng)交換機已經(jīng)接近其最低限度的邊緣。因此，最新的 1000BASE-TX 標準要求使用 CAT-6 電纜，而最初的1000BASE-T標準要求使用CAT-5電纜。
檢測PD
當PSE連接到以太網(wǎng)上時，PSE必須檢測每個以太網(wǎng)設備是否需要供電。因此，PD必須表現(xiàn)出與老式以太網(wǎng)設備不同的特征。在檢測時，PSE進行的是V-I測量，同時用一個 2.7V至10.1V的限流電壓對信號線進行探測。表 1 列出了作為一個有效PD在檢測時所必備的標準。所允許的1.9V偏差是通常用于控制電壓極性的二極管橋路產(chǎn)生的。由于PD必須向后兼容于中跨式PSE應用，所以每個PD需要兩個這樣的二極管橋路（見圖3）。10μA的電流偏移通常是由于PD內的泄漏引起的。表2列出了另一個標準集，任何沒有通過這個標準的以太網(wǎng)設備都是無效的PD。
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表1：所有標準都通過中跨PSE或端點PSE檢測后，才是一個有效的PD
表2：跨式PSE或端點PSE對所有以下標準的檢測可以判定以太網(wǎng)設備是否為無效PD
PD 的功率分級
推動電源與以太網(wǎng)相結合的最早動力是語音 IP電話(VoIP)。因為有非常多的以太網(wǎng)設備（RFID閱讀器、PDA充電器、移動電話甚至筆記本電腦等）可以采用這種方便的供電方式，因此 IEEE 802.3af標準包括了一個可選的特性，名為功率分級(Power Classification)，它可以讓PSE更準確地管理功率預算。表3列出了一臺 PD 可以提供的不同功率等級(Power Classes)，以及各自相應的分級標志(Classification Signatures)。
表3：為最大限度的使用系統(tǒng)資深PSE使用PD電深的五個等級和分級標志來分配它的功率預算
為實現(xiàn)可選的功率分級方法，PSE先施加一個14.5V至20.5V的探測電壓。PD發(fā)出一個標志（分級電流）作為回應，該標志向PSE指示PD可以消耗的最大功率。這一信息使PSE交換機在任何時候都能管理提供給所連接PD的最大功率。你可以通過選擇一個適當?shù)腜SE控制器IC，實現(xiàn)另一個IEEE 802.3af標準以外的功能，即對 PSE 各個端口的輸出功率進行硬件的限制。
除非網(wǎng)絡主管保證所有的PD都不會換成功耗更大的設備，否則有時交換機預計的功率預算會出現(xiàn)超標現(xiàn)象。在這種情況下，PSE 將拒絕為該端口供電，直到PD的功率分級符合要求為止。
另一個在突發(fā)情況下很靈活的功能就是，PSE可以決定哪個端口優(yōu)先接受電源，或者當 UPS 或備用發(fā)電機快要耗盡能量時決定先斷掉哪個端口。這樣交換機就可以保持對最重要端口的供電，如火警電話、出入證件閱讀機、某些監(jiān)控攝像頭以及接入點，或者其它數(shù)據(jù)電路。PSE 控制器IC中帶有這種故障恢復功能——這可以通過硬件實現(xiàn)或軟件編程實現(xiàn)——有助于將緊急情況下的功率預算降到最低程度。此時，應找一個可軟件編程的 PSE控制器IC。
對斷開連接PD的檢測
在PSE開始為一臺PD供電后，它必須監(jiān)控符合IEEE 802.3af標準的PD“保持供電”(Maintain Power)標志。PSE 還必須檢測PD是否已經(jīng)斷開連接。標準定義了檢測PD斷線的交流和直流方法。例如，我們可以考慮這樣一種情況：一臺PD從交換機上拔下，馬上有一臺老式以太網(wǎng)設備插入同一個端口。如果在PD移走后48VDC電源沒有及時斷開，老式設備就可能損壞。
對一臺 PD 進行交流阻抗測量一般要比純直流電阻的測量更準確。一個小的共模交流電壓同數(shù)據(jù)信號和48VDC一起同時沿以太網(wǎng)鏈路傳遞下去。然后你就可以測量交流電流，并計算各端口的阻抗，該阻抗值應小于 26.25kΩ（在 PD 未拔出的情況下）。這個交流電壓的頻率必須在1MHz和100MHz之間。有關斷線檢測交、直流方法的更多細節(jié)，設計者應查閱 IEEE 802.3af標準。無論采用哪種方法，測量與隨后中止供電的速度都要足夠快。
芯片中的先進特性
在所有已面市的多端口PSE芯片中，最常見的是可控制四端口線上電源的PSE控制器。可以尋找那些帶I2C兼容的串行接口，帶有可編程寄存器，便于配合 MCU使用。多工作模式的優(yōu)勢對于緊急事件更顯重要。
舉例來說，Maxim的MAX5935提供自動、半自動、手動、關斷以及調試等運行模式。自動模式可以使器件在沒有軟件管理的情況下運行。半自動模式（根據(jù)請求）對連接到一個端口上的設備進行不間斷的檢測與分級，但只在軟件指定的情況下才為該端口供電。手動模式在系統(tǒng)診斷時非常有用，可以通過軟件實現(xiàn)對設備完全的控制。關斷模式終止所有的活動，切斷各端口的電源。最后，調試模式可以通過設備狀態(tài)機的精細步進，作詳細的系統(tǒng)診斷。
圖 3：由于千兆PoE網(wǎng)絡連接使用所有四個線對來傳輸數(shù)據(jù)，不能用中跨PSE方法來為PD供電
100BASE-TX和10BASE-T的回退模式照例可以用于數(shù)據(jù)傳輸。所以，在千兆以太網(wǎng)上運行的PD必須由一個端點PSE交換機供電。
圖3是PoE系統(tǒng)設計的一個實例，這個簡化的框圖演示了使用千兆以太網(wǎng)PSE與PD的連接。由于千兆以太網(wǎng)不能引入中跨式電源，所以 100/10M 以太網(wǎng)模式也只能連接到一個端點PSE交換機上（MAX5940 PD接口控制器不需要二極管橋，但也可以在需要時帶二極管橋工作）。今天的PD接口控制器IC（如MAX5941和MAX5942）包括一個脈沖寬度調制(PWM)控制器，雖然PD一般都包括一個 DC/DC 變換器。
