【導(dǎo)讀】以太網(wǎng)供電（PoE，Power Over Ethernet）是一種剛被批準(zhǔn)為IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的供電技術(shù)。它利用了普遍存在的通用以太網(wǎng)絡(luò)，在傳送數(shù)據(jù)包的同時(shí)完成直流電源的輸送工作。最近批準(zhǔn)的這個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)似乎將成為第一個(gè)通用電源插口或插座定義在全球范圍使用的實(shí)例。
對(duì)諸如IP 電話、無線接入點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭等需要持續(xù)供電的各種連網(wǎng)設(shè)備來說，不必再連接自己的交流電源。這些設(shè)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(shè)備叫做受電設(shè)備(PD)，為PD提供電源的設(shè)備叫供電設(shè)備(PSE)。PD的功耗限制在12.95W，PSE 輸出限制為每個(gè)RJ-45 端口15.4W。在以太網(wǎng)連接電纜和物理層設(shè)備(PHY)變壓器保持良好平衡的情況下，每個(gè)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(dá)100米長(zhǎng)）的電壓降，IEEE標(biāo)準(zhǔn)為PD和PSE規(guī)定了不同的功率額定值。在較長(zhǎng)的鏈路上電壓降會(huì)更明顯，因此 PSE 的輸出電壓要高于標(biāo)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(dá)57VDC 的電壓。
大多數(shù)PoE 網(wǎng)絡(luò)可以采用端點(diǎn)(endpoint)或中跨式(midspan)PSE 實(shí)現(xiàn)。端點(diǎn)PSE在單個(gè)設(shè)備里集成了以太網(wǎng)交換機(jī)和電源，它被放置在以太網(wǎng)鏈路的另一端。因?yàn)樵谝蕴W(wǎng)鏈路的端點(diǎn)已存在電源，這種類型的PSE提供了實(shí)現(xiàn)PoE網(wǎng)絡(luò)的最簡(jiǎn)便的方法。這種以太網(wǎng)交換機(jī)有時(shí)也稱為已具備“線上電源”(inline power)。如圖 1所示，端點(diǎn)PSE很適合用來部署新的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。
圖 1：對(duì)端點(diǎn)PSE和PD設(shè)備來說，電源是通過信號(hào)線對(duì)分配的
這種類型的PSE提供了實(shí)現(xiàn)一個(gè)PoE網(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)便的方法，因?yàn)殡娫匆呀?jīng)通到了以太網(wǎng)連接的端點(diǎn)上。
對(duì)于那些不能用這種方式升級(jí)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(duì)”提供電源，如果只有幾個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備需要供電，這是一個(gè)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(luò)系統(tǒng)的一部分（見圖2）。端點(diǎn)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(hào)線在同一線對(duì)上，也可以在空閑線對(duì)上。一般來說，一個(gè)PSE必須能夠通過信號(hào)線對(duì)或空閑線對(duì)提供電源，但不必兩者都用。
圖 2：對(duì)中跨式PSE和PD設(shè)備來說，電源是通過空閑線對(duì)分配的
中跨式PSE方法更適用于不進(jìn)行大規(guī)模變動(dòng)的現(xiàn)有以太網(wǎng)。
雖然看似簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)要付出相當(dāng)?shù)呐?。它們必須具備向后兼容性，以保證老設(shè)備不會(huì)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(duì)于一位設(shè)計(jì)人員，如果他正在開發(fā)的產(chǎn)品計(jì)劃運(yùn)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(huì)得到一些啟示。
面對(duì)千兆以太網(wǎng)的電纜選擇
千兆以太網(wǎng)可以與端點(diǎn)PSE一同工作，但不能采用中跨式PSE，因?yàn)樗袰AT-5電纜中的所有四對(duì)線都用于數(shù)據(jù)傳輸。與之相比，10BASE-T 和 100BASE-TX 只用兩對(duì)線傳輸數(shù)據(jù)（線對(duì)1-2和3-6），留下的空閑線對(duì)（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(diǎn) PSE 交換機(jī)。
IEEE 802.3af支持CAT-3電纜，因?yàn)樗畛跤糜?0BASE-T系統(tǒng)。但是，為了最大限度地保證新網(wǎng)絡(luò)部署中信號(hào)的完整性，并且考慮到每次電纜鋪設(shè)一般有10年的使用期，我們推薦使用盡可能高等級(jí)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(yīng)用以及千兆以太網(wǎng)交換機(jī)已經(jīng)接近其最低限度的邊緣。因此，最新的 1000BASE-TX 標(biāo)準(zhǔn)要求使用 CAT-6 電纜，而最初的1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)要求使用CAT-5電纜。
檢測(cè)PD
當(dāng)PSE連接到以太網(wǎng)上時(shí)，PSE必須檢測(cè)每個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備是否需要供電。因此，PD必須表現(xiàn)出與老式以太網(wǎng)設(shè)備不同的特征。在檢測(cè)時(shí)，PSE進(jìn)行的是V-I測(cè)量，同時(shí)用一個(gè) 2.7V至10.1V的限流電壓對(duì)信號(hào)線進(jìn)行探測(cè)。表 1 列出了作為一個(gè)有效PD在檢測(cè)時(shí)所必備的標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)用，所以每個(gè)PD需要兩個(gè)這樣的二極管橋路（見圖3）。10μA的電流偏移通常是由于PD內(nèi)的泄漏引起的。表2列出了另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集，任何沒有通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備都是無效的PD。
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表1：所有標(biāo)準(zhǔn)都通過中跨PSE或端點(diǎn)PSE檢測(cè)后，才是一個(gè)有效的PD
表2：跨式PSE或端點(diǎn)PSE對(duì)所有以下標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)可以判定以太網(wǎng)設(shè)備是否為無效PD
PD 的功率分級(jí)
推動(dòng)電源與以太網(wǎng)相結(jié)合的最早動(dòng)力是語(yǔ)音 IP電話(VoIP)。因?yàn)橛蟹浅６嗟囊蕴W(wǎng)設(shè)備（RFID閱讀器、PDA充電器、移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)包括了一個(gè)可選的特性，名為功率分級(jí)(Power Classification)，它可以讓PSE更準(zhǔn)確地管理功率預(yù)算。表3列出了一臺(tái) PD 可以提供的不同功率等級(jí)(Power Classes)，以及各自相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)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(gè)等級(jí)和分級(jí)標(biāo)志來分配它的功率預(yù)算
為實(shí)現(xiàn)可選的功率分級(jí)方法，PSE先施加一個(gè)14.5V至20.5V的探測(cè)電壓。PD發(fā)出一個(gè)標(biāo)志（分級(jí)電流）作為回應(yīng)，該標(biāo)志向PSE指示PD可以消耗的最大功率。這一信息使PSE交換機(jī)在任何時(shí)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(gè)適當(dāng)?shù)腜SE控制器IC，實(shí)現(xiàn)另一個(gè)IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)以外的功能，即對(duì) PSE 各個(gè)端口的輸出功率進(jìn)行硬件的限制。
除非網(wǎng)絡(luò)主管保證所有的PD都不會(huì)換成功耗更大的設(shè)備，否則有時(shí)交換機(jī)預(yù)計(jì)的功率預(yù)算會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)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(jí)符合要求為止。
另一個(gè)在突發(fā)情況下很靈活的功能就是，PSE可以決定哪個(gè)端口優(yōu)先接受電源，或者當(dāng) UPS 或備用發(fā)電機(jī)快要耗盡能量時(shí)決定先斷掉哪個(gè)端口。這樣交換機(jī)就可以保持對(duì)最重要端口的供電，如火警電話、出入證件閱讀機(jī)、某些監(jiān)控?cái)z像頭以及接入點(diǎn)，或者其它數(shù)據(jù)電路。PSE 控制器IC中帶有這種故障恢復(fù)功能——這可以通過硬件實(shí)現(xiàn)或軟件編程實(shí)現(xiàn)——有助于將緊急情況下的功率預(yù)算降到最低程度。此時(shí)，應(yīng)找一個(gè)可軟件編程的 PSE控制器IC。
對(duì)斷開連接PD的檢測(cè)
在PSE開始為一臺(tái)PD供電后，它必須監(jiān)控符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD“保持供電”(Maintain Power)標(biāo)志。PSE 還必須檢測(cè)PD是否已經(jīng)斷開連接。標(biāo)準(zhǔn)定義了檢測(cè)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(tái)PD從交換機(jī)上拔下，馬上有一臺(tái)老式以太網(wǎng)設(shè)備插入同一個(gè)端口。如果在PD移走后48VDC電源沒有及時(shí)斷開，老式設(shè)備就可能損壞。
對(duì)一臺(tái) PD 進(jìn)行交流阻抗測(cè)量一般要比純直流電阻的測(cè)量更準(zhǔn)確。一個(gè)小的共模交流電壓同數(shù)據(jù)信號(hào)和48VDC一起同時(shí)沿以太網(wǎng)鏈路傳遞下去。然后你就可以測(cè)量交流電流，并計(jì)算各端口的阻抗，該阻抗值應(yīng)小于 26.25kΩ（在 PD 未拔出的情況下）。這個(gè)交流電壓的頻率必須在1MHz和100MHz之間。有關(guān)斷線檢測(cè)交、直流方法的更多細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)者應(yīng)查閱 IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)。無論采用哪種方法，測(cè)量與隨后中止供電的速度都要足夠快。
芯片中的先進(jìn)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?？梢詫ふ夷切2C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(shì)對(duì)于緊急事件更顯重要。
舉例來說，Maxim的MAX5935提供自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、關(guān)斷以及調(diào)試等運(yùn)行模式。自動(dòng)模式可以使器件在沒有軟件管理的情況下運(yùn)行。半自動(dòng)模式（根據(jù)請(qǐng)求）對(duì)連接到一個(gè)端口上的設(shè)備進(jìn)行不間斷的檢測(cè)與分級(jí)，但只在軟件指定的情況下才為該端口供電。手動(dòng)模式在系統(tǒng)診斷時(shí)非常有用，可以通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備完全的控制。關(guān)斷模式終止所有的活動(dòng)，切斷各端口的電源。最后，調(diào)試模式可以通過設(shè)備狀態(tài)機(jī)的精細(xì)步進(jìn)，作詳細(xì)的系統(tǒng)診斷。
圖 3：由于千兆PoE網(wǎng)絡(luò)連接使用所有四個(gè)線對(duì)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(yùn)行的PD必須由一個(gè)端點(diǎn)PSE交換機(jī)供電。
圖3是PoE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例，這個(gè)簡(jiǎn)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(gè)端點(diǎn)PSE交換機(jī)上（MAX5940 PD接口控制器不需要二極管橋，但也可以在需要時(shí)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(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器，雖然PD一般都包括一個(gè) DC/DC 變換器。
