詳解PoE技術(shù)發(fā)展歷程和實現(xiàn)原理

技術(shù)背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，需要提供網(wǎng)絡服務的終端越來越豐富，使用傳統(tǒng)強電的方式為多種多樣的智能終端供電變得越來越困難，以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet，簡稱PoE）技術(shù)的普及，正逐一解決各類智能終端的供電問題。目前PoE技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的WLAN、網(wǎng)絡監(jiān)控、IP電話等應用場景延伸到新零售、IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）、智慧城市等多種場景被廣泛應用，具有成本低、施工方便、供電穩(wěn)定、運維效率高等特點，本文將結(jié)合PoE技術(shù)發(fā)展歷程，講述PoE技術(shù)實現(xiàn)原理。

PoE技術(shù)在現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線結(jié)構(gòu)不做任何改動的情況下，可以實現(xiàn)為基于IP的終端（如IP電話、無線AP、網(wǎng)絡監(jiān)控等）傳輸數(shù)據(jù)信號和提供直流供電，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)和用戶的兼容性。這樣不必在施工環(huán)境增加開槽、鋪管、穿線、調(diào)試、墻體和地面美化等工序，大幅縮短了施工周期，降低了成本。

PoE供電系統(tǒng)中的幾個角色定義：

供電設備（PSE）：Power Sourcing Equipment，給終端供電的設備；

受電設備（PD）：Power Device，需要供電的終端。

圖1：PSE與PD連接圖

PoE技術(shù)發(fā)展歷程

PoE技術(shù)出現(xiàn)較早，但早期的PoE技術(shù)無規(guī)范可循。IEEE 802.3工作組在2003年將其標準化，后來逐漸發(fā)展到802.3af、802.3at再到最新的802.3bt，接下來，我們一起看看PoE技術(shù)的發(fā)展歷程。

IEEE 802.3af（PoE）

2003年發(fā)布的IEEE 802. 3af標準，它明確規(guī)定了遠程系統(tǒng)中的電力檢測和控制事項，并對路由器、交換機和集線器通過以太網(wǎng)電纜向IP電話、安防系統(tǒng)以及無線接入點等設備供電的方式進行了規(guī)定，為符合802. 3af標準的設備提供不超過15W的電功率。

IEEE 802.3at（PoE+）

PoE最大功率難以滿足更大功率無線接入點、視頻電話、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等設備的供電需求，在兼容IEEE 802. 3af的基礎上，2009年IEEE 802.3at標準發(fā)布，通過CAT-5或更高級別線纜最大能提供30W的功率。

IEEE 802.3bt

IEEE 802.3bt在2018年9月正式被批準，此次標準主要為提供更大功率終端的需求而誕生，在兼容802.3af、802.3at的基礎上，可完成最高不超過90W的末端供電和數(shù)據(jù)傳輸，突破了PoE+供電30W的局限性。

注：802.3bt已被批準但暫未正式發(fā)布，也沒有正式命名，當前常用HPoE、PoE++、PoH、UPoE等名稱表示。

有了更大的功率，開發(fā)人員就可以非常容易地增加更多功能并升級已有產(chǎn)品，以滿足監(jiān)控、門禁、信息發(fā)布、停車場，甚至是筆記本電腦、電視等系統(tǒng)中大功率終端供電需求。

相比802.3at（PoE+）標準，802.3bt新增兩種供電類型，對應60W、90W輸出功率。PSE端能夠輸出的功率選擇性更大，根據(jù)PD需要選擇相應的PSE端的功率。

三種PoE供電技術(shù)標準對比如下：

標準PSE最大輸出功率PD輸入功率線纜長度供電線對

802.3af15.4W12.95W100m2

802.3at30W25.5W100m2

802.3bt60W51W100m4

802.3bt90W71.3W100m4

表1：三種標準對比

PoE是怎樣供電的

PoE供電流程說明

圖2：PoE供電流程圖

1.檢測（Detection）：PSE設備在端口發(fā)出2~10V的電壓脈沖，用于檢測其線纜終端連接的PD是否為標準支持的受電設備。只有檢測到PD是一個標準設備，才會繼續(xù)下一步操作。

2.PD分類（Classification）：由于PD種類很多，需要的電源功率也各不相同，所以在供電設備正確檢測到受電設備以后，就要檢測對端PD設備的功率等級。

當檢測到PD之后，PSE會為PD設備進行分類。PSE施加15.5V~20.5V探測電壓（電流限制在100mA以下），PD設備會將一個分級電阻串聯(lián)到線路中，用來標識自己的功率，PSE通過測試返回特征電流的大小來確定PD設備屬于哪個分類。

注：0為默認分類

PoE類型PoEPoE+802.3bt

PD分類等級012345678

PSE功率（W）15.44715.43045607590

PD功率（W）133.846.491325.540516271

表2：最新PD分類等級對應功率說明

3.開始供電（Power up）：當PSE檢測到線纜末端接的是一個標準PD，并且已經(jīng)為PD進行了分類后，就開始為PD供電，輸出44~57V的直流電壓。

4.供電（Power supply）：PSE為PD提供穩(wěn)定可靠的直流電壓，并根據(jù)PD的分類結(jié)果輸出對應等級的功率。

5.斷電（Disconnection）：如果和PD相連的連接線纜被拔掉或者用戶從軟件上將交換機端口的PoE供電功能關(guān)閉，PSE會快速地（一般在30-40ms的時間之內(nèi)）停止為PD供電。在PSE給PD供電整個過程的任意時刻，如果發(fā)生PD設備短路、分類時消耗的功率超過 PSE對應能提供的功率、消耗功率超過等級功率等情況，則整個供電過程會中斷，并重新從第一步檢測過程開始。

PoE供電線序說明

以PoE標準為例，標準定義了兩種供電線序，PSE可適應PD采用任意一種供電線序。

空閑線供電：使用以太網(wǎng)電纜中沒有被使用的空閑線對（4/5、7/8）來傳輸直流電。

圖3：空閑線供電

信號線供電：在傳輸數(shù)據(jù)所用的芯線上同時傳輸直流電（1/2，3/6），其輸電采用與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號不同的頻率，以實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)與傳輸電流的復用。

圖4：信號線供電

PoE+沿用PoE線序，在線序上同PoE保持一致。

802.3bt如何實現(xiàn)更高的功率

隨著市場發(fā)展，終端對高功率需求日益增加。同時伴隨功率負載的增加，電纜溫度也會提升。當電纜溫度過高時，電纜可能會超出其額定溫度，從而降低性能和可靠性（可能導致電纜損壞）。因此，對于超過30W供電需求的設備，則不能像PoE與PoE+僅使用雙絞線8芯中的4芯供電。

IEEE 802.3bt標準定義使用雙絞線的8芯進行電壓輸出，以應對市場上對更強大和更高效的以太網(wǎng)供電能力的需求?？梢詫崿F(xiàn)：

（1）最高速率兼容10GBASE-T；

（2）在PD端能夠得到最低40W、最高90W的功率。

圖5：IEEE 802.3bt在PSE&PD端的實現(xiàn)方式

PSE端在實現(xiàn)802.3bt時，在RJ45的8芯上都加載了電壓。在1/2和4/5線對上加載54V正極，在3/6和7/8線對上加載54V負極。PD端使用兩個二極管橋，兩個二極管橋都有電流流過，需要PD端的芯片對兩路電流進行控制，輸出給 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路。

PoE技術(shù)總結(jié)

現(xiàn)如今PoE技術(shù)已經(jīng)被廣泛運用于智慧城市、IoT等行業(yè)中，相信在不久的將來PoE技術(shù)會得到更大的發(fā)展和突破，隨著今年802.3bt正式批準（預計2019年正式發(fā)布）更高功率終端很快會被大量應用，將助力IoT行業(yè)的快速發(fā)展。