什么是以太網(wǎng)供電(PoE) 技術(shù)
由于以無源電纜作為傳輸媒體,并以傳輸電磁波的以太(Enter)命令,所以有"以太網(wǎng)"之稱, “以太網(wǎng)”是指采用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的各種局域網(wǎng)(LAN)系統(tǒng)。而以太網(wǎng)供電(PoE) 是一種電源分配技術(shù)，一個更有吸引力的構(gòu)想則是能同時將電源和數(shù)據(jù)傳輸至任何連到以太網(wǎng)上的設(shè)備,為此于2003年6月作為IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)獲得了通過, 用于在以太網(wǎng)上傳輸和接收電源信號。
圖1：為以太網(wǎng)通過一根傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的CAT-5電纜米提供電源，同時將電源和數(shù)據(jù)傳輸至任何連接到以太網(wǎng)的設(shè)備（IP 電話，無線接入點等）示意圖
表1：IEEE 802.3af的PD要求開始于一個25K 和小于0.12μF的特征識別，為些對于這一個有效的PD特征，所有上述參數(shù)條件都必須被端點PSE或中間PSE檢測到
表2：端點PSE或中間PSE檢測到以上述參數(shù)條件就說明以太網(wǎng)設(shè)備是一個無效的PD
這種電源分配技術(shù)采用基于以太網(wǎng)供電的IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn), 如IP電話、無線接入點等功率小于12.95W的設(shè)備都可通過一根傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的CAT-5電纜來提供電源,見圖1所示.這就是說,并不是所有需要連續(xù)供電的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,例如IP 電話、無線接入節(jié)點和保安攝像機(jī)或網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控相機(jī)等都需要本地的交流電源了，它還意味著設(shè)備不一定非要放置在靠近墻上電源插座的位置，有些情況下電源線都可以省掉。
以太網(wǎng)供電不僅去除了費(fèi)事的壁式變壓器，還有助于推出一整套新的設(shè)備，這些設(shè)備結(jié)合了數(shù)據(jù)和電源接口，并可對現(xiàn)有的10、100或1,000Mbps以太網(wǎng)設(shè)備后向兼容。IEEE 802.3af突破了以太網(wǎng)的應(yīng)用，它主要是一個電源傳輸協(xié)議，而不是數(shù)據(jù)協(xié)議。 以太網(wǎng)供電(PoE)系統(tǒng)
以太網(wǎng)供電連接完全由PSE來進(jìn)行控制，其端口電壓(VPORT)向PD傳遞鏈路狀態(tài)。
在PoE系統(tǒng)中，通過現(xiàn)有的以太網(wǎng)接收電源的客戶端設(shè)備被稱為受電設(shè)備(PD)。向PD輸送電力的設(shè)備稱為供電設(shè)備(PSE)。通過每個RJ-45 端口(扦孔)，PD可消耗的功率被限制在12.95W，PSE的輸出被限制在15.4W。只要以太網(wǎng)電纜和物理層(PHY)變壓器具有良好的平衡,每個PD可期望獲得最大350mA的持續(xù)電流.
考慮到CAT-5 以太網(wǎng)線(最長100m)上的電壓降，IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)為PD和PSE規(guī)定了不同的電壓規(guī)格。較長的連線上會產(chǎn)生顯著的壓降，這就迫使PSE輸出比通常的48VDC更高的電壓，以便輸送給PD盡可能多的功率。因此,在以太網(wǎng)線上高達(dá)57VDC的電壓將隨處可見。 PoE網(wǎng)絡(luò)可利用端點PSE或中間PSE實現(xiàn)
端點PSE(供電設(shè)備)
端點PSE在同一設(shè)備內(nèi)集成了以太網(wǎng)交換機(jī)和電源,即PSE結(jié)合了IEEE 802.3af電源供電功能與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)功能，或目前以太網(wǎng)交換機(jī)和集線器的轉(zhuǎn)發(fā)器功能。這些PSE位于以太網(wǎng)連線的另一個端點(即網(wǎng)絡(luò)連接的終端)上，并稱為端點(endpoint)。這些端點一般通過數(shù)據(jù)線對(信號線對)輸送電源，因為這些線對肯定連在PD上。這種以太網(wǎng)交換機(jī)有時被稱為具有“在線電源”(見圖2)。端點PSE最適合于新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的部署。
圖2：在端點供電設(shè)備PSE 和受電設(shè)備（PD）的POE 系統(tǒng)的連接中，電源通過信號線對傳送
中間PSE(供電設(shè)備)
中間PSE安裝在數(shù)據(jù)交換機(jī)和PD之間的連線上，這類PSE稱為中間(midspan) 或稱中跨，電源可利用中間PSE方式注入網(wǎng)線。中間PSE通過CAT-5電纜中的“空閑線對”提供電源,見圖3所示.而數(shù)據(jù)線對則直接通過,即對于基于中間的網(wǎng)絡(luò)而言，PD從一個已有的非802．3af交換機(jī)接收數(shù)據(jù)而從中間獲得電源。
此類中間PSE,對于只有少數(shù)以太網(wǎng)設(shè)備需要電源的情況適用，這種方法更具成本效益。這樣的典例通常是在一個局部區(qū)域內(nèi)有4到24個端口，而它又是一個更大的多端口網(wǎng)絡(luò)的一部分(圖3)。
圖3：為采用MAx5935 PSE 控和制器和MAX5940 PD 接口的PoE供電系統(tǒng)設(shè)計簡化方框圖，該P(yáng)oE 供電系統(tǒng)可工作于千兆位以太網(wǎng)的PD必須向后兼容于PSE應(yīng)用，因此要從一個端點PSE 交換機(jī)接收電源
端點PSE與中間PSE的不同
端點PSE與不同于中間PSE的地方是它可以選擇利用信號線對同時傳輸電源和信號，也可以選擇空閑線對傳送電源。通常來講，PSE必須能夠通過信號線對或空閑線對提供電源，但不需要兩者同時提供電源。
受電設(shè)備(PD)
PD檢測
當(dāng)受電設(shè)備(PD)被接入以太網(wǎng)鏈路時，PSE必須檢測每個以太網(wǎng)設(shè)備是否需要電源。因而PD必須表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備的特性。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD要求開始于一個25k膠托∮?20nF的特征識別，正是這一特征使PSE通過測量其“檢測特征”-共模終端來檢測需要供電的設(shè)備,將PD從不需要供電的其它以太網(wǎng)設(shè)備中區(qū)分出來。PD只需要具有這些檢測特征,同時其鏈路處于檢測模式,則即可實現(xiàn)檢測。
表3：PD 功率分級的五個級別及其分級特征
PSE對PD檢測的具體方法:
為實現(xiàn)這種檢測，PSE通過測量兩個V-I(電壓-電流) 點和從它們之間的斜率來計算電阻以判斷端口的共模終端來檢測需要供電的設(shè)備.就是利用2.7V至10.1V的限流電壓探測信號線。表1列出檢測狀態(tài)下PSE對要被檢測為有效的PD必須具備的參數(shù)條件。表1參數(shù)之所以允許1.9V的串聯(lián)電壓偏移是因為通常采用二極管橋來控制電壓極性。每個PD會用到兩個這樣的二極管全橋(見圖4所示,為用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供電糸統(tǒng)簡化設(shè)計方框圖)，因為PD 必須向后兼容于中間PSE。而10mA的電流偏移是因為PD內(nèi)部通常具有一定的泄漏。另外,通過表2給出了另外一系列參數(shù)條件，任何滿足這些條件的檢測都將判定以太網(wǎng)設(shè)備為一個無效的PD。
圖4：為簡化PSE 電源控制應(yīng)用示意圖其PSE 電源控韌制硅為MAX5935
PD功率分級
今天，有兩種主要的用電裝置成為推動PoE增長的主導(dǎo)力量，它們分別是：無線LAN接入點和IP電話(VoIP)電話以及它類型的以太網(wǎng)設(shè)備(RFID閱讀器、PDA充電器、移動電話甚至膝上電腦等.而促使供電與以太網(wǎng)走向結(jié)合的最早開始的動力卻來自于IP電話(VoIP)。
IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)還包含了一個可選的功能，稱為功率分級。這項功能使PSE能夠更加精細(xì)地管理其功率預(yù)算。PSE用一個稱為分級的第二次測量來判斷PD的峰值功率要求，掌握了這一信息后PSE就能對那些需要供電的設(shè)備提供電源，而不會損壞不需要供電的設(shè)備，并能有效地分配可用功率。
為實現(xiàn)這項可選的功率分級方法，PSE施加一個14.5V至20.5V間的探查電壓。作為回應(yīng)則PD呈現(xiàn)出某種特征(分級電流)，指示PSE該P(yáng)D將要吸取的最大功率。PD在接收電源(一般為48VDC)時，消耗的功率能可高達(dá)12.95W。如果PD一直未接入或處于關(guān)斷狀態(tài)，PSE就停止輸送電源，并不斷檢測有效PD的25k教卣韉繾琛Ｕ飧魴畔⒈閿赑SE管理任意給定時刻它向已連接的PD傳遞的最大功率。表3列出了可以供應(yīng)一個PD使用的不同功率級別，以及它們所對應(yīng)的分級特征,表中的分類電流是PD上的電流,PSE電流范圍更寬一些,例如,按等級2,一個PSE必須要能識別16mA到21mA的電流.
通過選擇合適的PSE控制器IC，還可以實現(xiàn)另外一些IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)之外的功能：即對于PSE向每個端口輸出功率的硬性限制。
另外一些緊急情況下非常有用的功能是，PSE能夠排出一個優(yōu)先級順序，決定首先為那個端口加電，或者當(dāng)UPS或備用電源能量快用完時，哪些端口應(yīng)該首先被切斷。然后，交換機(jī)就可維持最重要的以太網(wǎng)端口的供電。這樣的端口可能包括E911電話、標(biāo)記閱讀器、某些監(jiān)視攝像頭或接入點、或者一些經(jīng)營性的數(shù)據(jù)電路。這些失效保護(hù)特性被整合于PSE 控制器IC 內(nèi)部，可通過硬件接線或軟件方式進(jìn)行配置，有助于緊急情況下管理功率預(yù)算。因此，應(yīng)尋找軟件可配置的PSE 控制器IC。 檢測斷開的PD
PSE用“維持功率”特征檢測
PSE加電給PD后，按照IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)它必須監(jiān)視PD的“維持功率”特征。PD必須吸收最低為10mA的電流，這樣PSE就能知道它還保持連接。像恒溫調(diào)節(jié)器這類功率敏感的應(yīng)用可以通過脈沖調(diào)制使“保持功耗特征(MPS)”電流為10mA，并且脈沖間隔時間保持75ms到250mS之間以減少功耗。PD也必須有一個電阻小于26．25k降腗PS共模阻抗與一個大于50nF電容并聯(lián)。通常，PD的旁路電容和負(fù)載會形成一個比26．25k降偷枚嗟淖榪埂? PSE還要檢測PD是否已斷線
IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了交流和直流兩種檢測PD斷線的方法。例如，考慮這種情況，當(dāng)PD被斷開，而一個傳統(tǒng)的以太網(wǎng)設(shè)備被立即插入交換機(jī)的同一個RJ-45 插孔時的情況。如果48VDC電源沒有在PD離開后被立即切斷，傳統(tǒng)設(shè)備就會受到傷害。
對PD 進(jìn)行交流阻抗測量一般要比純直流電阻測量方法更精確。一個小幅度的共模交流電壓與數(shù)據(jù)信號和48VDC 被同時送到以太網(wǎng)線上。然后測量交流電流并算出端口阻抗，如果PD還沒有被斷開，這個值應(yīng)該低于26.25k健＝渙韉繆溝鈉德視Ω迷?MHz至100MHz之間。有關(guān)直流和交流斷線檢測方法的其他更多細(xì)節(jié)，設(shè)計者應(yīng)參考IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)。不管選擇哪種方法，都必須迅速執(zhí)行測量，并在PD斷線后迅速移走電源。 用于以太網(wǎng)供電的電源控制硅片及其高級特性
目前，一些IC供應(yīng)商正在生產(chǎn)能滿足802.3afPSE要求的芯片，其中有一些方案采用微控制器的外圍器件來提供以太網(wǎng)供電接口，但要依賴控制器軟件來實現(xiàn)大部分工作。更強(qiáng)性能的器件能自主檢測和分級有效PD，以及用最小的軟件開銷來管理過電流和斷接。這些器件可能只需要系統(tǒng)軟件來決定是否還有足夠的功率余量來滿足PD的功率要求。
當(dāng)今用于多端口PSE 的硅芯片現(xiàn)在已可從市場上找到，最常見的是控制四端口在線電源的PSE控制器。具有兼容串行接口、具有可編程寄存器的器件提供了配合MCU使用的選項。出于對緊急情況的考慮，各種工作模式下的一些高級特性現(xiàn)在變得日益重要，而且重要性進(jìn)一步擴(kuò)大了。
圖5為簡化的PSE電源控制示意圖,控制芯片為MAX5935,其特點為：四個獨立-48V PoE端口;可提供的工作模式包括自動、半自動、手動、關(guān)斷和調(diào)試模式。自動模式允許器件在無需軟件干預(yù)的情況下工作。半自動模式(按需)連續(xù)檢測并分級連接到端口上的設(shè)備，但在接到軟件指令前不會給端口加電。手動模式允許軟件完全控制器件，對于系統(tǒng)診斷非常有用。關(guān)斷模式終止所有活動，并關(guān)閉端口上的電源。最后，調(diào)試模式允許精細(xì)地步進(jìn)器件狀態(tài)機(jī)，以便進(jìn)行細(xì)致的系統(tǒng)診斷。
PSE控加制器應(yīng)用實例見圖4所示, 是用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供電糸統(tǒng)簡化設(shè)計方框圖.它給出了千兆位以太網(wǎng)中PSE 和PD的連接。由于千兆位以太網(wǎng)不支持中間電源注入，100/10M以太網(wǎng)模式只能連接到一個端點PSE交換機(jī)上,MAX5940 PD接口控制器根據(jù)需要也可以加一個或二個。PD還需DC-DC 轉(zhuǎn)換器以輸出+Vout -Vout. 總結(jié)
IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是通過以太網(wǎng)信號線對或備用線對來實現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備供電，從而擺脫了采用交流適配器所帶來的麻煩，并將進(jìn)一步拓展以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域.
用遍及各地的網(wǎng)絡(luò)所具有的RJ-45端口(扦孔)，它不僅給你帶來了數(shù)據(jù)包，還帶來了電源。正因為PoE具有的這些優(yōu)勢使以太網(wǎng)供電成為一種突飛猛進(jìn)的新技術(shù)，它從根本上改變了低功耗類設(shè)備的供電方式。還有更多的設(shè)備能通過以太網(wǎng)供電驅(qū)動。 |
