POE供电的技术优势和关键技术

什么是POE供电？
POE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5 布线基础架构不作做何改动的情况下，在为一些基于IP 的终端（如IP 电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE 技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。
POE 也被称为基于局域网的供电系统(POL, Power over LAN ) 或有源以太网( Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。IEEE802.3af 标准是基于以太网供电系统POE 的新标准，它在IEEE 802.3 的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。
IEEE 在1999 年开始制定该标准，最早参与的厂商有3Com, Intel, PowerDsine, Nortel,Mitel,NationalSemiconductor。但是，该标准的缺点一直制约着市场的扩大。直到2003 年6 月，IEEE 批准了802. 3af 标准，它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、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。IEEE 802.3af 的发展包含了许多公司专家的努力，这也使得该标准可以在各方面得到检验。
一个典型的以太网供电系统如图1 所示。在配线柜里保留以太网交换机设备，用一个POE供电器(Midspan HUB)给局域网的双绞线提供电源。在双绞线的末端，该电源用来驱动电话、无线接入点、相机和其他设备。为避免断电，可以选用一个UPS。

图1 典型的以太网供电系统示意图

POE供电的技术优势和拓展应用
使用以太网线供电的优势是明显的：
1. POE 只需要安装和支持一条电缆，简单而且节省空间，并且设备可随意移动。
2. 节约成本。许多带电设备，例如视频监视摄像机等，都需要安装在难以部署AC 电源的地方，POE 使其不再需要昂贵电源和安装电源所耗费的时间，节省了费用和时间。
3. 像数据传输一样，POE 可以通过使用简单网管协议(SNMP)来监督和控制该设备。
4. POE 供电端设备只会为需要供电的设备供电，只有连接了需要供电的设备，以太网电缆才会有电压存在，因而消除了线路上漏电的风险。
5. 一个单一的UPS 就可以提供相关所有设备在断电时的供电。
6. 用户可以自动、安全地在网络上混用原有设备和POE设备，这些设备能够与现有以太网电缆共存。
7. 使网络设备便于管理。因为当远端设备与网络相连后，才能够远程控制、重配或重设。
8. 在无线局域网中，POE 可以简化射频测试任务，接入点能够被轻松地移动和接入。

随着IEEE 802.3af 标准的确立，其他大量的应用也将快速涌现出来，包括蓝牙接入点、灯光工作、网络打印机、IP 电话机、Web 摄像机、无线网桥、建筑的保安系统如门禁读卡机与监测系统等。用户在当前的以太网设备上融合新的供电装置，就可以在现有的网线上提供48V直流电源，降低了网络建设的总成本，并且保护了投资。已经有制造商在市场上投放产品，例如带电源的Midspan Hub。

以太网在线供电(POE)是一种革命性技术，它通过目前承载以太网数据的同一条五类/超五类双绞线电缆提供可靠的直流电源，扩展了以太网本已非常强大的功能。POE 将改变网络设备供电的方式，网络管理员可以最大限度地利用现有的网络设施，并部署全新的一系列应用。
IEEE 802.3afPOE供电标准是通过以太网数据线对或备用线对来实现以太网设备供电，从而摆脱了采用交流适配器所带来的麻烦，并将进一步拓展以太网技术的应用领域。本文详细分析了以太网供电设备和受电设备的工作过程以及实现方法，即POE供电原理。
采用基于以太网供电的IEEE 802.3af标准，如IP电话、无线接入点等功率小于12.95W的设备都可通过一根传输以太网数据的CAT-5电缆来提供电源。以太网供电不仅去除了讨厌的壁式变压器，还有助于推出一整套新的设备，这些设备结合了数据和电源接口，并可对现有的10、100或1000Mbps以太网设备后向兼容。802.3af突破了以太网的应用，它主要是一个电源传输协议，而不是数据协议。


图1 采用LTC4258/9 PSE控制器和LTC4257 PD接口的完整PoE供电原理图
以太网供电开始于能提供电源的供电设备(PSE)，该设备通过测量其共模终端来检测需要供电的设备。一个有效的受电设备(PD)必须具有一个25kΩ共模电阻的“检测特征”。PSE 用一个称为分级的第二次测量来判断PD 的峰值功率要求，掌握了这一信息后PSE就能对那些需要供电的设备提供电源，而不会损坏不需要供电的设备，并能有效地分配可用功率。一旦PD在接收电源(一般为48V直流)时，消耗的功率能高达12.95W。如果PD一直未接入或处于关断状态，PSE就停止输送电源，并不断检测有效PD的25kΩ电阻特征电阻。以太网供电连接完全由PSE来进行控制，共模或端口电压(VPORT)向PD传递如表1 所示的链路状态相关信息。


表1 802.3af 链路或端口电压和状态

　　受电设备
　　802.3af 标准的PD要求开始于一个25kΩ和小于120nF的特征识别，正是这一特征使PSE将PD从不需要供电的其它以太网设备中区分出来。PD只需要具有这些检测特征，而同时链路处于检测模式即可实现检测。分级特征表明PD 的峰值功耗，要求在端口电压为14.5到20.5V之间时PD吸收一个特定的DC电流。PD的分级电流必须对应于表2 中五个功耗分级中的一个。PD必须对极性不敏感，并且能在备用线对和数据线对上正常工作（提供检测和分级特征以及接受供电），这个自动极性电路通常用二极管桥堆来实现，如图1所示。以上这些是PD向PSE请求供电必须具备的。
　　在端口电压升到30V和40V之间前PD不会吸取电源，在较低电压条件下PD保持在欠压闭锁状态（UVLO），以避免对检测和分级产生干扰。在开始的时候，PD 将5μF 或更大的输入旁路电容连接到端口处。尽管旁路电容的切换会使端口电压降低到30V 到42V 导通阈值以下，但这一瞬态压降不会使其产生振荡。IEEE 802.3af 标准允许PD 有50ms 的启动时间，在它满足表2 中所在级别的电流极限以前，足以使180μF 旁路电容充满。PD 能使用浪涌电流极限来对较大的电容充电，同时满足电流限制要求。一般PD 会保持电路的其余部分不工作直至旁路电容充电完成，这对于DC/DC 变换器特别重要，因为它们会在较低输入电压时获得更多的电流，使得对旁路电容充电特别困难。当旁路电容充电完成后，端口电压就升高进入供电模式，使电路的其余部分运行，并在它所在类的功耗极限内吸取电源。如果电流过高的时间超出50ms 将会使电源关断。此外，PD 必须吸收最低为10mA 的电流，这样PSE 就能知道它还保持连接。像恒温调节器这类功率敏感的应用可以通过脉冲调制使“保持功耗特征（MPS）”电流为10mA，并且脉冲间隔时间保持75ms 到250ms 之间以减少功耗。PD 也必须有一个电阻小于26.25kΩ的MPS 共模阻抗与一个大于50nF 电容并联。通常，PD 的旁路和负载会形成一个比26.25kΩ低得多的阻抗。
　　802.3af 标准对受电设备来说相对简单，可以用少量分立器件来实现一个基本符合要求的PD 接口，如凌特公司的LTC4257 能提供检测特征和可编程分级特征、带迟滞的UVLO、端口电流极限，以及在傍路电容充电时使DC/DC 转换器工作的电源良好指示引脚。LTC4257 和几乎相同的LTC4257-1 都是设计用来满足IEEE 802.3af标准的，LTC4257-1 使用一个140mA的低电流极限来对PD 的输入电容器充电，使它能兼容在802.3af 标准以前开发的电源方案。
　　LTC4257 和LTC4257-1 电路端口可以承受高达100V 的电压，使它们能在很恶劣的环境中正常工作，包括负载电缆的感性回扫、高电压电缆放电和EDS 冲击影响等。
　　此外采用一对二极管组成的桥电路和瞬态抑制器（图1），LTC4257、LTC4257-1 以及类似的器件可以使PD 能满足大多数应用要求，使网络设备制造商能集中精力于实现设备的差异化设计。

　　供电设备
　　以太网供电的主要设备是PSE，它负责检测、分级和控制电源，以符合网络中802.3af PD的电源要求。在检测时，PSE 通过测量两个V-I 点和从它们之间的斜率来计算电阻以判断端口的共模终端。只要两个电压的差大于1V 且都在2.8V~10V 的范围内，PSE 就能执行强制电流或强制电压测量，这样就有空间提供给PD 的串接二极管。对于以太网供电来说，检测很关键，因为它能保证48V 直流电压仅加在有效的PD 上，并永远不会损坏哪些不需要接受802.3af 电源的设备。像以太网供电的其它部分一样，以太网线的共模抑制对检测而言并没有什么好处，PSE 必须通过累积多个交流周期（单不可太多）来抑制50/60Hz 信号，检测必须在500ms 内完成。
　　
　　表2 802.3af 设备分级
　　在成功完成检测后，PSE对端口提供15.5V～20.5V的电压，并将PD置于分级模式。PSE在对PD进行分级（测量端口电流）前会给它10ms的时间使它稳定下来。为保持合理的功耗，必须在75ms内完成分级。
　　如果PSE能提供PD所在级别要求的功率， PSE将对PD提供电源。功率要求见表2中“最小PSE功率”一列。如果PSE能向每一个端口提供16W的功率，则可以选择完全跳过分级。通过分级能更有 效地利用电源，降低提供电源的成本，因此大多数PSE都要采用分级。无论是否对PD进行分级，PSE在对PD提供电源前必须在400ms内完成有效检测， 否则如果PSE等待时间太长将会损坏插在原本是PD位置上不需要供电的以太网设备。
　　在加电时，必须将电流主动地限制在ILIM（400mA~450mA）内，被动地限制为350mA到400mA的ICUT阈值内。端口电流可能永远不会超过ILIM，如果大于ICUT的时间超过TOVLD（50ms到75ms），端口就会关断。在启动和供电模式下使用这些限制。虽然IEEE标准要求在启动时的最大电流为IINRUSH，但实际上与ILIM相等。这些限制对端口电源实现了严格的控制，以避免一些故障造成严重事故，并允许PSE用低价位的MOSFET来控制端口。因为PSE经常执行ICUT和ILIM电流限制，PD必须对它的旁路电容充电或在加电50ms后限制电流。PSE可以选用较严格的ICUT阈值来控制分级1和分级2的PD。
　　当一个链路被供电后，PSE必须进行连续的监测以保证PD仍保持连接，以及电缆没处于等待状态，并准备给下一个以太网设备提 供48V电压。802.3af标准规定了PSE用DC断接（DC disconnect）和AC断接（AC disconnect）两种方法来判断是否与一个PD保持连接。DC脱开决定于PD至少吸取10mA的电流，如果电流降到5mA到10mA之间的IMIN阈值以下，且时间超过TMPDO（300ms到400ms），PSE就切断电源。因为PD可以对端口产生10mA以上的脉冲电流，从而继续保持供电，所以PSE必须对小至60ms的脉冲做出响应。PSE通过测量端口阻抗来确定AC断接，一个高阻抗表示PD不再连接，端口就一定要在TMPDO时间后关断。

　　端点和中跨
　　802.3af定义了两类PSE，一般PSE结合了802.3af电源供电功能与数据终端设备（DTE）功能，或目前以太网 交换机和集线器的转发器功能。这些PSE存在于网络连接的终端，并称为端点（Endpoint）。这些端点一般通过数据线对输送电源（尽管标准允许使用备 用线对），因为这些线对肯定连在PD上。
　　第二类PSE安装在数据交换机和PD之间的连线上，这类PSE称为中跨（Midspan），只向备用线对施加电源，而数据线对则直接通过。对于基于中跨的网络，PD从一个已有的非802.3af交换机接收数据而从中跨获得电源。
　　另外还可以串接一个端点和一个中跨，这样电源就可以在备用线对和数据线对。为防止不期望的相互影响，已加电的PD不能在另外 的线对上出现25kΩ的阻抗特征，图1所示的二极管或电路就实现了该功能。此外，一个中跨在一次检测失败后，在开始下一次检测前必须等待至少两秒，这一延 迟使端点在中跨再次检测前检测，并向PD提供电源。
　　目前，一些IC供应商正在生产能满足802.3af PSE要求的芯片，其中有一些方案采用微控制器的外围器件来提供以太网供电接口，但要依赖控制器软件来实现大部分工作。更强性能的器件能自主检测和分级有 效PD，以及用最小的软件开销来管理过电流和断接。这些器件可能只需要系统软件来决定是否还有足够的功率余量来满足PD的功率要求。例如，LTC4258 和LTC4259能控制四个符合802.3af标准的端口，而只需很少或不需要软件的干预。在自动模式中，LTC4258/9假定有15.4W功率可用于 每一个端口，或者LTC4258/9在检测和对一个新的PD分级时会提醒控制器，让控制器决定是否向端口供电。LTC4258和LTC4259模拟电路在 使用很少的外围器件的条件下，可以实现802.3af标准的检测和分级、ILIM和ICUT极限以及DC断 接（见图1）。高性能的电路允许LTC4258/9检测端口电流，包括在0.5？电阻下5mA到10mA的DC断接阈值。LTC4259也包括了创新的 AC断接电路，它测量PD阻抗，不会受长电缆和杂散电容的干扰。在大系统中，多达16个LTC4258或LTC4259能同时连接在相同的I2C或SMBus上，控制64个以太网端口。此外，可编程中断和按键寄存器使软件的复杂性最小化。

POE以太网供电的关键技术
1） POE以太网供电的系统构成及供电特性参数
一个完整的POE系统包括供电端设备（PSE， Power Sourcing Equipment）和受电端设备（PD， Power Device）两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载，即POE以太网供电系统的客户端设备，如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑（ PDA）或移动电话充电器等许多其他以太网设备（实际上，任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系，并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。
POE以太网供电系统的主要供电特性参数为：
电压在44～57V之间，典型值为48V。
允许最大电流为550mA，最大启动电流为500mA。
典型工作电流为10～350mA，超载检测电流为350～500mA。
在空载条件下，最大需要电流为5mA。
为PD设备提供3.84～12.95W五个等级的电功率请求，最大不超过13W。
关于功率五个等级的详细说明：
IEEE 802.3af PoE标准允许设计师通过以太网电缆为用电设备（PD）提供高达12.95W的电力，同时符合安全特低电压（SELV）要求。根据 IEEE 802.3af标准，PD可按所需功率分为四个不同的级别（第五个等级Class 4是为更高的功率的新标准预留的）。
Class 1设备需要的最高工作功率为3.84W；
Class 2设备需要的工作功率介于3.85W和6.49W之间；
Class 3设备的功率范围则介于6.5～12.95W之间。
设计师可以根据功率要求将他们的设备指定为特定的级别。低成本解决方案可以使用一般的默认级别指定（Class 0），表示PD最高需要12.95W的工作功率。
2） POE以太网供电的工作过程
在分级阶段，PSE将向PD施加15～20V的电压，并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。在此阶段，PD的电源部分将被欠压锁定（UVLO）电路维持在无源状态，以便隔离开关级，直至特征和分级阶段完成。一旦分级完成后，PSE将会向PD提供全额工作电压。 当在一个网络中布置 PSE供电端设备时，POE以太网供电工作过程如下所示：
检测：首先PSE会发送一个测试电压给在网设备以探测受电设备中的一个24.9kΩ共模电阻。测试信号开始为2.5V，然后提升到10V，这将有助于补偿Cat-5电缆自身阻抗带来的损失。因为这种电缆最长可达100m。如果PSE检测到来自PD的适当阻抗特征（24.9kΩ），它便会继续提升电压。如果检测不到特征阻抗，PSE将不会为电缆加电。受电设备电路中的齐纳二极管会保证系统其余部分不受测试信号的干扰。
PD端设备分类：当检测到受电端设备PD之后，PSE将向PD施加15～20V的电压，并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。如果除了探测到第一级的电阻外没发现其他分级电路，该设备被定义成零级别。在此阶段，PD的电源部分将被欠压锁定（UVLO）电路维持在无源状态，以便隔离开关级，直至特征和分级阶段完成。
开始供电：分级完成后，在一个可配置时间（一般小于15μs）的启动期内，PSE设备开始从低电压向PD设备
a）供电，直至提供48V的直流电源。
b）供电：为PD设备提供稳定可靠48V的直流电，满足PD设备不越过12.95W的功率消耗。
c）断电：若PD设备从网络上断开时，PSE就会快速地（一般在300～400ms之内）停止为PD设备供电，并重 复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。
在把任何网络设备连接到PSE时，PSE必须先检测设备是不是PD，以保证不给不符合POE标准的以太网设备提供电流，因为这可能会造成损坏。这种检查是通过给电缆提供一个电流受限的小电压来检查远端是否具有符合要求的特性电阻来实现的。只有检测到该电阻时才会提供全部的48V电压，但是电流仍然受限，以免终端设备处在错误的状态。作为发现过程的一个扩展，PD还可以对要求PSE的供电方式进行分类，有助于使PSE以高效的方式提供电源。一旦PSE开始提供电源，它会连续监测PD电流输入，当PD电流消耗下降到最低值以下，如在拔下设备时或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等，PSE会断开电源并再次启动检测过程。
电源提供设备也可以被提供一种系统管理的能力，例如应用简单网络管理协议（SNMP）。这个功能可以提供诸如夜晚关机、远端重启之类的功能。
研究POE的供电方式可以看出，在供电的过程中有两个关键的问题需要考虑，一个是对于PD设备的识别，另一个是系统中UPS的容量。
3） POE以太网供电通过电缆供电的原理
标准的五类网线有四对双绞线，但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。 IEEE80 2.3af允许两种用法如图1和图2所示。

图1 通过空闲脚供电

图2 通过数据脚供电
应用空闲脚供电时，4、5脚连接为正极，7、8脚连接为负极。 应用数据脚供电时，将DC电源加在传输变压器的中点，不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。 标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法，但是电源应用设备PD必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是48V、13W的。PD设备提供48V到低电压的转换是较容易的，但同时应有1500V的绝缘安全电压。 POE标准还规范了传送电功率应使用的非屏蔽双绞线对电缆，即3、5、5e或6类电缆。明确了与其一起工作的现存电缆设施不需要任何改动，这其中包括3、5、5e或6类电缆、各种短接线与接线板、电源插座引线和连接的硬件等。POE标准与IEEE 802.3标准系列兼容。
4） POE以太网供电的两种供电方法
POE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两种方法：一种称作“中间跨接法”（ Mid -Span ），使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电，相应的Endpoint PSE支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。另一种方法是“末端跨接法”（End-Span），是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电，其输电采用与以太网数据信号不同的频率。Midspan PSE是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。可以预见，End-Span会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。 图3是POE以太网供电系统的一个实例，由供电设备PSE 、受电设备PD和相关的配套设备及以太网传输电缆组成。

图3 符合IEEE 802.3af标准的以太网供电系统实例
当PD设备与POE标准兼容时就可直接通过RJ-45插座从以太网电缆供电，对于与POE不兼容的设备可以采用直流变换器或抽头分压装置的方法，将其电压变换成POE兼容的电压。这些装置有时也被称为有源以太网分裂器（Sputters），它可以将太网电缆的直流电压取出来并通过常规的直流插座供PD设备使用。