以太网供电技术（PoE）标准综

bugshadow

以太网供电技术（PoE）标准综述
作者：重庆邮电学院朱勇发王平
摘要：IEEE 802.3af 规范定义了一种允许通过以太网线缆输送DC 电源的方法。首先简要介绍以太网供电系统的构成，详细介绍以太网供电设备及其功能。然后，阐述受电设备及其特性，给出一些可用的芯片供设计时参考。
关键词：以太网供电 IEEE802.3af 供电设备受电设备
引言
1999 年，通过以太网电缆提供电源已经不是什么新理念。在2003 年6 月IEEE 最终批准了802.3af 标准。该标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送DC 电源的方法。它能安全、可靠地将以太网供电(PoE，Power over Ethernet) 技术引入现有的网络基础设施中，并且和原有的网络设备相兼容；它最大能提供大约13W 的功率。这样小型网络设备就可通过以太网连接供电而无需使用墙上的AC 电源插座，从而简化了布线，降低了网络基础设施的建设成本。另外，通过UPS 备份的局域网供电，还可以使网络设备免受电网掉电的影响，像传统电话那样，在停电的时候仍然可以运转。
1 PoE 系统的构成
在PoE 系统中，提供电源的设备被称为供电设备PSE(Power Sourcing Equipment) ，而使用电源的设备称为受电设备PD(Powered Device) 。PSE 负责将电源注入以太网线，并实施功率的规划和管理。可以采用两种类型的PSE ：一种为“Endpoint PSE”，另一种为“Mid-span PSE ”。Endpoint PSE 就是支持PoE 的以太网交换机、路由器、集线器或其它网络交换设备。mid-span PSE 是用来将以太网供电功能添加到现有网络的一种设备。它专门用于电源管理，并通常和交换机放在一起，和交换机一样也有多路输入输出RJ-45 端口，对应每路的两个RJ-45 插孔，一个用短线连接至不具有以太网供电功能的网络交换设备，作为数据输入口；而另一个连接到支持802.3af 供电的远端用电设备(PD) ，作为数据/电源双用的RJ-45 输出口。mid-span 设备通常通过未使用的4/5 和7/8 线对来承载供电，剩下的部分预留给数据传输。电源在机箱内被注入网线而信号未作任何调整。PD 则有多种形式，如IP 电话机、网络摄影机、无线桥接器、收银机、安全存取与监测系统等。实际上，任何需要数据连接并能在13W 或更低功率下工作的设备都可无需AC 电源或电池供电，仅从RJ-45 插座就能够得到相应的电力。
图1 给出了采用Mid-span 的PoE 系统工作示意。

2 供电设备PSE
PSE 负责PoE 系统的电源管理。它连续监视网络上PD 设备的连接状况，并根据PD 的功率要求，将适当的电力通过五类电缆中的信号线对(Endpoint PSE) 或备用线对(Mid-span PSE) 输送到PD，并在PD 下线时切断电源。
  Endpoint PSEs 支持10BASE-T 、100BASE-TX 和1000BASE-T 网络。Endpoint 的PoE 系统中的PSE 可以在信号线对之间或备用线对之间(但不是两者同时)提供标称48V 的DC 电源。其中在信号线对之间传输电力时，48V 电源通过向耦合变压器的中间抽头供电以共模方式施加在双绞线上，如图2 所示，对于差分数据信号没有影响，并且由于耦合变压器的隔离，也不会对数据收发器产生影响。Mid-span PSEs 只支持10BASE-T 和100BASE-TX 网络，而对1000BASE-T 网络的支持802.3af 标准目前还未定义。Mid-span PSE 在备用线对之间提供48V 的DC 电源。Mid-span PSE 较Endpoint PSE 需要额外的线缆，占用了更多的空间，并增加了系统成本。

在允许PSE 向线路供电之前，它必须用一个有限功率的测试源来检查特征电阻，以避免将48V 电源加给非兼容PoE 的网络设备，对其造成危害。在加电之前，PSE 首先用2.8V~10V 的探测电压去侦测是否有PD 接入。具体实施时，是将2.8V~10V 之间的两个电压(间隔在1V 或以上)送到网络链路，然后根据得到的两个不同的电流值再作运算(ΔV/ΔI )。为了便于PSE 识别，IEEE802.3af 对于PD 在侦测过程中的表现(特征)作了规定，如表1 所列。

一旦侦测到有效的PD，PSE 需要了解PD 的用电量，便于系统对电源的管理。这个过程称为PD 分级(IEEE 标准规定此过程是可选的)。这一阶段，PSE 利用一个 15.5V~20.5V 的探测电压来检测PD 的功率级别。通过从线上吸收一个恒定电流——分级特征信号，PD 向PSE 表明自己所需的最大功率。PSE 测量这个电流，以确定PD 属于哪个功率级别。分级期间使用的PSE 电压源必须限制到100mA，以避免损坏失效的PD，而且它的连接时间不能超过75ms，以对PD 功耗加以控制。表2 列出了分级情况及其恒流特征。

成功侦测和分级后，PSE 就可向PD 供电了。供电期间，PSE 还要对每个端口的供电情况进行监视，提供欠压和过流保护。
PSE不能向非PD设备传输电力，同样PSE也不能在PD已经断开后还使电源处于接通状态。因为供电电缆有可能会插在一个非PD 设备上，或引起线缆的短接。IEEE802.3af 标准规定了两种方法让PSE 检测PD 是否断开，即DC 断路检测法和AC 断路检测法。不同的芯片供应商根据系统的实际情况选择了最适合他们系统的检测方法。
DC断路法根据从PSE 流向PD的直流电流大小，判断PD是否在线。当电流在给定时间tDIS (300ms~400ms) 内保持低于阈值IMIN(5mA~10mA ) 时，PSE 就认为PD 不存在，从而切断电源。这种方法的缺点是，当PD 工作在低功耗模式时，为避免掉线，PD 必须周期性地从线上吸取一定的电流。AC 断路法是测量以太网端口的交流阻抗，当没有设备连接到PSE 时，端口应该是高阻抗，可能达到几MΩ；而当接有PD 时，端口的阻抗会小于26.5k Ω；如果PD 消耗大量功率，那么阻抗通常会更低。端口阻抗(ZPORT) 通过加电压(VAC) 和测量得到的电流(IAC) 来决定，即ZPORT = VAC / IAC 。
目前已有多家半导体厂商提供了符合IEEE802.3af 规格的PSE 控制器。这些器件在降低系统成本、提供更高可靠性的同时，也加速了以太网供电的广泛普及。这些控制器为凌特公司(Linear) 的LTC4258/59 、德州仪器(TI) 的TPS2383 、以色列PowerDsine 公司的 PD64008 、美信公司(Maxim) 的MAX5922A/B/C 及即将上市的MAX5935 。其中Linear 的LTC4258/59 可以对四路以太网供电端口进行管理，具有自主运行(无需处理器干涉)情况下即可按序处理有任务的功能，对每路都可以单独设置其工作模式(自动、半自动、手动、关闭)。
3 受电设备PD
首先，PD 应能通过信号线或备用线接收电源，通常由二极管对两个电源进行线“或”来实现，因为IEEE 规格要求同时只能有一个线对传输电源；同时PD 应该能不受电源极性的限制，这通常可以使用整流桥或其它方法来实现自动极性转换。
当PSE 用2.8V~10V 之间的电压侦测时，PD 必须具有表1 所列的输入特性。PD 的输入端口可具有高达1.9V 的偏移电压(以容许二极管的压降)和10μA 的偏移电流(漏电流)。
当PSE 用15.5V~20.5V 之间的电压侦测时，PD 需要通过吸收一定的恒流来表明自己所需要消耗的功率(可选)，所以 PSE 能预算PD 的功耗，同时也方便PSE 对电源的管理。
探测和分级完成后，PD 就会从PSE 获得一个44V~57V 的电压，这时PD 要遵守几条规定。在端电压升到30V 以前，不应该消耗太大的负载电流，以避免与分级特征信号互相干扰；当电压达到42V 时，必须处于完全工作状态。工作状态时PD 端口电压应该在36V~57V 之间，而当PD 的端口电压跌落到30V~36V 之间时，PD 应该关断端口。PD 工作时不能连续消耗350mA 电流或12.95W 功率，短时内允许有400mA 的浪涌电流。PD 的输入电容必须低于180μF，以便在电源接通时将浪涌电流保持在合理的水平；如果输入电容大于180μF，PD 就要主动限制浪涌电流，使它低于400mA 。最后，PD 至少要保持10mA 的电流且交流阻抗要维持在26.25k Ω或更少，以避免掉线。
为了使PD 符合IEEE802.3af 标准的要求，简化设计任务，同样几大半导体厂商相继推出了PD 接口控制器。可用的接口控制器有德州仪器(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 。其中Maxim 的MAX5941A/B 、MAX5942A/B 和Power Integrations 的DPA423G 将用于DC/DC 转换的PWM 控制器也集成在芯片中。利用它们可以实现非常紧凑且高性价比的PD 供电电路。
结语
IEEE802.3af 标准对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP 电话、安全系统以及无线LAN 接入点等设备供电的方式进行了规定。随着PoE 的实施规模逐渐扩大，今后大量其它的应用可望涌现出来。值得关注的是，它有望推动芯片供应商为笔记本电脑和便携式设备设计耗电量低于12.95W 的芯片组，届时RJ-45 插口将成为一种通用电源插口，若干年后人们甚至将不记得有过以太网端口不能供电的时代。PowerDsine 公司甚至预测今后五年内，企业网络设备的75% 以上将由以太网供电。
今后可以考虑将PSE 电源管理芯片集成到RJ-45 内，就如近几年连接器供应商将网络隔离变压器集成到RJ-45 内一样。以太网供电技术同时也存在着一些问题，例如在PSE 设备端口比较多的情况下，设备需要提供的电源功率会很大。这时系统的散热应该引起足够的重视，否则PSE 设备将会是一个大热源。这些都有待今后加以解决。