PoE供電技術(shù)的定義、原理與應(yīng)用

一、概述

隨著網(wǎng)絡(luò)中IP電話、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控以及無線以太網(wǎng)設(shè)備的日益廣泛，通過以太網(wǎng)本身提供電力支持的要求也越來越迫切。多數(shù)情況下，終端設(shè)備需要直流供電，而終端設(shè)備通常安裝在距離地面比較高的天花板或室外，附近很難有合適的電源插座，即使有插座，終端設(shè)備需要的交直流轉(zhuǎn)換器也難有位置安置。另外，在很多大型的局域網(wǎng)應(yīng)用中，管理員同時需要管理多個終端設(shè)備，這些設(shè)備需要統(tǒng)一的供電和統(tǒng)一的管理，由于供電位置的限制，給供電管理帶來極大的不便，以太網(wǎng)供電PoE則正好解決了這個問題。PoE是一種有線以太網(wǎng)供電技術(shù)，使用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)線同時具備直流供電的能力，有效解決IP電話、無線AP、便攜設(shè)備充電器、刷卡機、攝像頭、數(shù)據(jù)采集等終端的集中式電源供電。

二、定義

PoE (Power Over Ethernet)指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網(wǎng)接入點AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機等）傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)（網(wǎng)線傳輸電力）。 PoE也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)(POL， Power over LAN )或有源以太網(wǎng)( Active Ethernet)，有時也被簡稱為以太網(wǎng)供電，這是利用現(xiàn)存標準以太網(wǎng)傳輸電纜的同時傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標準規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。為了規(guī)范和促進PoE供電技術(shù)的發(fā)展，解決不同廠家供電和受電設(shè)備之間的適配性問題，IEEE標準委員會先后發(fā)布了三個PoE標準：IEEE 802.3af標準、IEEE 802.3at標準、IEEE 802.3bt標準。 IEEE 802.3af（我們常稱其為Type1）對應(yīng)的功率等級為PSE=15.4w，PD=13w； IEEE 802.3at（我們常稱其為Type2）對應(yīng)的功率等級為PSE=30w， PD=25.5w； IEEE 802.3bt（Type4）對應(yīng)的功率等級為PSE=90w，PD=71w。

每個PoE接口輸出電壓是典型值是48V。PoE接口可工作在802.3af和802.3at兩種標準，工作在這兩種標準僅僅是最大輸出功率不同：PoE接口工作在802.3af標準時，最大輸出15.4W的功率，PoE接口工作在802.3at標準時，最大輸出30W的功率。PoE接口會根據(jù)PD的最大功耗來選擇工作在哪種標準，當(dāng)PD的最大功率小于15.4W時，PoE接口自動地工作在802.3af標準下；當(dāng)PD的最大功率大于15.4W時，PoE接口自動地工作在802.3at標準下。

PoE供電系統(tǒng)包括如下兩個設(shè)備角色：

供電設(shè)備PSE（Power-sourcing Equipment）：通過以太網(wǎng)給受電設(shè)備供電的PoE設(shè)備，提供檢測、分析、智能功率管理等功能，例如：PoE交換機。

受電設(shè)備PD（Powered Device）：如無線AP、便攜設(shè)備充電器、刷卡機、攝像頭等受電方設(shè)備。按照是否符合IEEE標準，PD分為標準PD和非標準PD。

PoE供電系統(tǒng)中有三個角色：

角色1 – PoE電源模塊：這個角色負責(zé)為角色3提供源源不斷的電能；

角色2 – 供電設(shè)備PSE(Power-sourcingEquipment)：這個角色負責(zé)“怎么樣”去給角色3供電；

角色3 – 受電設(shè)備PD(PoweredDevice)：這個角色負責(zé)享受前兩個角色的服務(wù)。那些通信終端就屬于這種角色。

圖1

PoE供電線纜

PoE供電的安全傳輸距離100米，建議使用超五類全銅網(wǎng)線以上線纜。PoE IEEE 802.3af標準要求PSE輸出端口的輸出功率為15.4W或者15.5W， 傳輸100米后的PD設(shè)備接受功率必須不小于12.95W，按照802.3af典型電流值為350mA計算，100米網(wǎng)線的電阻必須為(15.4-12.95W)/350mA = 7歐姆或者(15.5-12.95)/350mA = 7.29歐姆。

而標準網(wǎng)線是天然就滿足這個要求的，IEEE 802.3af PoE供電標準本身就是以標準網(wǎng)線測定的。而之所以會產(chǎn)生PoE供電網(wǎng)線要求這個問題，是因為市面上的很多網(wǎng)線都是非標準網(wǎng)線，不是嚴格按照標準網(wǎng)線的要求來生產(chǎn)的。市面的非標準網(wǎng)線材質(zhì)主要有銅包鋼、銅包鋁、銅包鐵等，這些網(wǎng)線的阻值大，都不適合PoE供電。PoE供電必須使用無氧銅材質(zhì)的網(wǎng)線，即標準網(wǎng)線。PoE供電技術(shù)對線材的要求高，建議在監(jiān)控項目中，千萬不要在線材上省成本，得不償失。

功率等級說明

IEEE 802.3af PoE 標準允許通過以太網(wǎng)電纜為用電設(shè)備（PD）提供高達 12.95W 的電力，同時符合安全特低電壓(SELV)要求。根據(jù) IEEE 802.3af 標準，PD 可按所需功率分為四個不同的級別（第五個等級 Class 4 是為更高的功率的新標準預(yù)留的）。 Class 0 設(shè)備需要的最高工作功率為 0~12.95W；Class 1 設(shè)備需要的工作功率介于 0~3.84W；Class 2 設(shè)備需要的工作功率介于 3.85W 和 6.49W 之間；Class 3 設(shè)備的功率范圍則介于 6.5～12.95W 之間。設(shè)計者可以根據(jù)功率要求將他們的設(shè)備指定為特定的級別。低成本解決方案可以使用一般的默認級別指定(Class 0)，表示 PD 最高需要 12.95W 的工作功率。

三、特點

1.特性參數(shù)

IEEE802.3af 標準供電系統(tǒng)的主要供電特性參數(shù)為：

電壓在 44～57V 之間，典型值為 48V；

允許最大電流為 550mA，最大啟動電流為 500mA；

典型工作電流為 10～350mA，超載檢測電流為 350～500mA；

在空載條件下，最大需要電流為 5mA；

為 PD 設(shè)備提供 3.84～12.95W 五個等級的電功率請求，最大不超過 13W。

IEEE802.3at 標準供電系統(tǒng)的主要供電特性參數(shù)為：

直流電壓在 50～57V 之間，典型值為 50V；

典型工作電流為 10～600mA，典型的輸出功率：30W；

受電設(shè)備 PD 支持 Class4 的分級；

IEEE 802.3at 委員會暫時將 PSE 輸出電壓定在 50 到 57V。該委員會還規(guī)定來回總長為 100 米的線纜，其最大阻抗不能超過 12.5Ω。在該電壓、電阻條件下，功率等于：

PSE 功率的最小值＝0.72A×50V＝36W

PD 功率的最小值＝0.72A×41V＝29.5W

電纜損耗最大值＝I2R＝0.72×0.72×12.5＝6.5W

IEEE802.3af&IEEE802.3at對比

圖2

2IEEE 802.3at 與 802.3af 相比，802.3at可輸出 2 倍以上的電力，每個端口的輸出功率可在 30W 以上，就標準而言，兩者在功率、分級上有不同的定義。在 IEEE802.3at 規(guī)定，受電設(shè)備PD可以最大到 29.95W，PSE 將為其提供 30W 以上的直流電源。

PoE 標準

協(xié)議號為 IEEE 802.3af，這是原始 PoE 標準。從以太網(wǎng)端口輸出 15.4W 的電力，距離交換機 100 米的輸出功率為 12.95W。

PoE+ 標準

協(xié)議號為 IEEE 802.3at，PoE+ 將以太網(wǎng)端口輸出功率翻倍?？商峁?30W 電力輸出，距離交換機 100 米的輸出功率為 25.5W。

PoE++ 標準

也有人稱之為Ultra PoE、UPoE（Ultra PoE 之縮寫，區(qū)別于Universal PoE 的 UPoE，后者是一個私有協(xié)議）或者 4PPoE 。雖然名字有所不同，但其指代的都是新近獲批的一項 PoE 協(xié)議 IEEE 802.3bt。此標準提供每端口 60W 至 90W 電力輸出。在 60W 標準下，距離交換機 100M 的輸出功率為 51W。

2.具體優(yōu)勢

一臺PoE設(shè)備可以同時為多個終端設(shè)備供電，實現(xiàn)電源集中供電的同時，還可以進行電源備份；

符合國際標準，使用全球統(tǒng)一的RJ45電源接口，可保證與不同廠商的設(shè)備對接；

PoE供電系統(tǒng)終端設(shè)備不需外接電源，只需要安裝一根網(wǎng)線，簡單而且節(jié)省空間，并且設(shè)備可隨意移動；

節(jié)約成本，許多帶電設(shè)備，例如視頻監(jiān)視攝像機等，都需要安裝在難以部署AC電源的地方，PoE使其不再需要昂貴電源和安裝電源所耗費的時間，節(jié)省了費用和時間；

像數(shù)據(jù)傳輸一樣，PoE可以通過使用簡單網(wǎng)管協(xié)議（SNMP）來監(jiān)督和控制該設(shè)備；

PoE供電端設(shè)備只會為需要供電的設(shè)備供電，只有連接了需要供電的設(shè)備，以太網(wǎng)電纜才會有電壓存在，因而消除了線路上漏電的風(fēng)險；

一個單一的UPS就可以提供相關(guān)所有設(shè)備在斷電時的供電；

用戶可以自動、安全地在網(wǎng)絡(luò)上混用原有設(shè)備和PoE設(shè)備，這些設(shè)備能夠與現(xiàn)有以太網(wǎng)電纜共存；

使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備便于管理，當(dāng)遠端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連后，能夠遠程控制、重配或重設(shè)；

在無線局域網(wǎng)中，PoE可以簡化射頻測試任務(wù)，接入點能夠被輕松地移動和接入；

減少后期的維護和維修成本；

四、原理

1.供電模式

PoE的兩種供電方案——PoE標準為使用以太網(wǎng)的傳輸電纜輸送直流電到PoE兼容的設(shè)備定義了兩種方法：

一種稱作“中間跨接法”(Mid-Span)，使用以太網(wǎng)電纜中沒有被使用的空閑線對來傳輸直流電（即1236線序走數(shù)據(jù)，4578線序走電力)，相應(yīng)的EndpointPSE支持PoE功能的以太網(wǎng)交換機、路由器、集線器或其他網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。

圖3

另一種方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在傳輸數(shù)據(jù)所用的芯線上同時傳輸直流電，其輸電采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號不同的頻率（即1236線序同時走數(shù)據(jù)和電力）。MidspanPSE是一個專門的電源管理設(shè)備，通常和交換機放在一起。它對應(yīng)每個端口有兩個RJ45插孔，一個用短線連接至交換機，另一個連接遠端設(shè)備?？梢灶A(yù)見，End-Span會迅速得到推廣，這是由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與輸電采用公用線對，因而省去了需要設(shè)置獨立輸電的專用線，這對于僅有8芯的電纜和相配套的標準RJ-45插座意義特別重大。

圖4

應(yīng)用空閑腳供電時，4、5 腳連接為正極，7、8 腳連接為負極。應(yīng)用數(shù)據(jù)腳供電時，將 DC 電源加在傳輸變壓器的中點，不影響數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式下線對 1、2 和線對 3、6 可以為任意極性。標準不允許同時應(yīng)用以上兩種情況。電源提供設(shè)備 PSE 只能提供一種用法，但是電源應(yīng)用設(shè)備 PD 必須能夠同時適應(yīng)兩種情況。該標準規(guī)定供電電源通常是 48V、13W 的。PD 設(shè)備提供 48V 到低電壓的轉(zhuǎn)換是較容易的，但同時應(yīng)有 1500V 的絕緣安全電壓。PoE 標準還規(guī)范了傳送電功率應(yīng)使用的非屏蔽雙絞線對電纜，即 3、5、5e 或 6 類電纜。明確了與其一起工作的現(xiàn)存電纜設(shè)施不需要任何改動，這其中包括 3、5、5e 或 6 類電纜、各種短接線與接線板、電源插座引線和連接的硬件等。PoE 標準與 IEEE 802.3 標準系列兼容。

2.供電過程

PoE供電就是通過以太網(wǎng)供電，這種方式僅憑借那根連接通信終端的網(wǎng)線就可完成為它們供電。PoE提供的是典型的48V直流電，供電距離最長可達100m。一個完整的PoE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備(PSE, Power Sourcing Equipment)和受電端設(shè)備(PD, Power Device)兩部分。PSE設(shè)備是為以太網(wǎng)客戶端設(shè)備供電的設(shè)備，同時也是整個PoE以太網(wǎng)供電過程的管理者。而PD設(shè)備是接受供電的PSE負載，即PoE系統(tǒng)的客戶端（受電端）。

圖5

提示：Midspan 設(shè)備：PoE 功能在交換機或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外；Endpoint 設(shè)備：PoE 功能集成到交換機或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)。

圖6

檢測PD：PSE在端口周期性輸出電流受限的小電壓，用以檢測PD設(shè)備的存在。如果檢測到特定阻值的電阻，說明線纜終端連接著支持IEEE 802.3af標準或IEEE 802.3at標準的受電端設(shè)備（電阻值在19kΩ～26.5kΩ的特定電阻，通常的小電壓為2.7V～10.1V，檢測周期為2秒）。

供電能力協(xié)商即PD設(shè)備分類過程：當(dāng)檢測到受電端設(shè)備PD之后，PSE對PD進行分類，并協(xié)商供電功率。供電能力協(xié)商不僅可以通過解析PSE與PD發(fā)送的電阻實現(xiàn)的，還可以通過鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議LLDP（Link Layer Discovery Protocol）協(xié)議發(fā)現(xiàn)和通告供電能力進行協(xié)商。

開始供電：在啟動期內(nèi)(一般小于15μs)，PSE設(shè)備開始從低電壓向PD設(shè)備供電，直至提供48V的直流電壓。

正常供電：電壓達到48V之后，PSE為PD設(shè)備提供穩(wěn)定可靠48V的直流電，PD設(shè)備功率消耗不超過PSE最大輸出功率。

斷電：供電過程中，PSE會不斷監(jiān)測PD電流輸入，當(dāng)PD電流消耗下降到最低值以下，或電流激增，例如拔下設(shè)備或遇到PD設(shè)備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等，PSE會斷開電源，并重復(fù)檢測過程

圖7

3.具體實例

TPS23753A 具有增強 ESD 穿越功能的 IEEE 802.3-2005 PoE 接口和隔離式轉(zhuǎn)換控制器，下圖為TPS23753A上電的實際過程波形，芯片進行4點檢測，隨后進行了分級和上電。

信號檢測階段：發(fā)送一個測試電壓給在網(wǎng)設(shè)備以探測受電設(shè)備中的一個 24.9kΩ共模電阻。測試信號開始為 2.7V，然后提升到 10V，這將有助于補償 Cat-5 電纜自身阻抗帶來的損失。因為這種電纜最長可達 100m。如果 PSE 檢測到來自 PD 的適當(dāng)阻抗特征(24.9kΩ)，它便會繼續(xù)提升電壓。如果檢測不到特征阻抗，PSE 將不會為電纜加電。受電設(shè)備電路中的齊納二極管會保證系統(tǒng)其余部分不受測試信號的干擾。（TI 芯片是4點檢測相對2點檢測可靠性更高一些）

分段階段：檢測之后，PSE會加14.5v~20.5v的電壓在PD端，通過檢測CLS電阻上的電流判斷PD的功率等級。

供電階段：檢測和分級都正常之后會進行上電。

圖8

IEEE 802.3bt 因為功率比IEEE 802.3at大，分級會有所不同，會有兩個分級電阻，并進行5次分級檢測來實現(xiàn)90w的分級。

PD方案主要由兩部分組成，PD握手芯片和反激/正激控制電路。目前TI的在市面上應(yīng)用的PD方案有很多，有集成的方案：如TPS23755, TPS23753A, TPS23756等。其中TPS23755是TI最新面市的IEEE 802.3af標準芯片，集成了PD握手芯片，反激控制器和功率開關(guān)管。使用原邊反饋控制模式有效降低了副邊反饋回路的成本和PCB板的面積。同時使用CCM控制模式，相對于常規(guī)DCM控制，明顯提高了系統(tǒng)的EMI 性能，可以幫助客戶省去輸入端的共模濾波電感有效降低系統(tǒng)成本和尺寸。雖然使用原邊反饋控制方式，依然可以達到較好的負載調(diào)整率。因此TPS23755很適合小功率小體積低成本的IPC應(yīng)用。TPS23753A 和TPS23756分別是針對IEEE 802.3af 和IEEE 802.3at標準的副邊反饋方案。

TPS2378+LM5155 是符合IEEE 802.3at應(yīng)用的主流方案，LM5155是TI 2018年最新面市的反激控制器方案，有很多有特點的功能，比如輸出短路保護的hiccup 功能，比如過流點補償功能以實現(xiàn)不同輸入電壓下輸出限流點不變，同時極低的電流采樣電壓很好解決了采樣電阻發(fā)熱的問題。 TPS2373-4+UCC2897A是符合IEEE 802.3bt應(yīng)用的主流方案。TPS2373-4是符合IEEE 802.3bt標準的PD芯片。UCC2897A設(shè)計的有緣鉗位正激電路可以實現(xiàn)90W的功率輸出（可以參考TI 參考設(shè)計PMP6547）。另如果需要輸出短路hiccup 功能，也可以考慮使用LM5025A替換UCC2897A。這種大功率的方案主要應(yīng)用于大功率球機等產(chǎn)品中。總體來看，TI的PD產(chǎn)品在安防行業(yè)的應(yīng)用還是相當(dāng)廣泛的。大家可以根據(jù)自己的需求選擇TI相應(yīng)的方案進行設(shè)計。

五、應(yīng)用

1.PoE供電在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖9

2.PoE供電在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

PoE交換機可以部署在匯聚交換機和無線AP之間，或者PON網(wǎng)絡(luò)中ONU和無線AP之間的位置。通過選擇8口、16口、24口不同端口密度的PoE交換機，可以部署在不同用戶密度的熱點區(qū)域。其中匯聚交換機+PoE交換機的組網(wǎng)模式非常適合部署在用戶密集的區(qū)域，目前在高校的WLAN項目建設(shè)中，多采用此方式。PoE交換機解決方案應(yīng)用范圍廣、部署數(shù)量大，是目前很多工程商的主流選擇。被廣泛運用在無線AP和網(wǎng)絡(luò)攝像機組網(wǎng)中，方案采用AP+AC的方式便于集中管理，并使用PoE供電節(jié)省人力成本。

圖10

六、總結(jié)

從技術(shù)角度來講，PoE的技術(shù)發(fā)展多年，目前已經(jīng)處于非常成熟的階段。但由于目前監(jiān)控市場迫于成本壓力，選用的PoE交換機或者線材品質(zhì)過于低劣，再或者方案設(shè)計本身就不合理，導(dǎo)致采用PoE供電的項目維護的工作量特別大，所以工程商普遍存在PoE供電不穩(wěn)定的觀點。在數(shù)據(jù)傳輸量非常大，功率高，且要求全天候不間斷工作的情況下，采用有品質(zhì)保證的PoE設(shè)備和線材是整個系統(tǒng)穩(wěn)定的保證。

1.PoE不能供電時，如何排查

首先確定受電設(shè)備是否支持PoE供電。不是所有的設(shè)備都支持PoE供電的。

檢查受電設(shè)備的功率是否超出了PoE交換機端口供電的最大功率。PoE交換機的端口供電功率有兩種，一種是15.4W，一種是30W。如果用的是15.4W的PoE交換機，受電設(shè)備的功率卻大于15.4W，就會出現(xiàn)供電不穩(wěn)，或者供不了電的。

檢測PoE交換機在滿負載的工作狀態(tài)下，供電功率是否超出了供電總功率。

PoE交換機除了單個的端口供電功率，還有個總供電功率。市面上有的8口PoE交換機總供電功率是90W，單個端口供電功率是15.4W。如果每個端口的供電功率都使用到頂峰，8個端口就是8×15.4=123.2W。這樣就超出了本臺交換機的總功率，供電自然就會出現(xiàn)問題。所以使用PoE交換機要有個妥善的搭配，功率大的受電設(shè)備和功率小的搭配起來使用。

2.PoE供電技術(shù)有哪些不足之處

PoE的供電距離只有100米左右，這是由數(shù)據(jù)信號的傳輸距離決定的；但是現(xiàn)在市場上有PoE信號延長器產(chǎn)品可以幫助延長傳輸距離。

作為一種最常用的PoE供電設(shè)備，一臺PoE交換機一般會同時給多個PoE受電設(shè)備供電，如果PoE交換機出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致所有PoE受電設(shè)備無法工作；因此，在部署PoE網(wǎng)絡(luò)時，一定要選質(zhì)量可靠的交換機，并考慮將PoE交換機接入到UPS（不間斷電源）系統(tǒng)中。

審核編輯：湯梓紅