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(gè)更有吸引力的構(gòu)想則是能同時(shí)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(hào)。
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(shí)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(diǎn)等）示意圖
表2：端點(diǎn)PSE或中間PSE檢測(cè)到以上述參數(shù)條件就說明以太網(wǎng)設(shè)備是一個(gè)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(diǎn)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-
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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)的連線上會(huì)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(diǎn)PSE或中間PSE實(shí)現(xiàn)
端點(diǎn)PSE(供電設(shè)備)
端點(diǎn)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(gè)端點(diǎn)(即網(wǎng)絡(luò)連接的終端)上，并稱為端點(diǎn)(endpoint)。這些端點(diǎn)一般通過數(shù)據(jù)線對(duì)(信號(hào)線對(duì))輸送電源，因?yàn)檫@些線對(duì)肯定連在PD上。這種以太網(wǎng)交換機(jī)有時(shí)被稱為具有“在線電源”(見圖2)。端點(diǎn)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(diǎn)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(hào)線對(duì)傳送
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(duì)”提供電源,見圖3所示.而數(shù)據(jù)線對(duì)則直接通過,即對(duì)于基于中間的網(wǎng)絡(luò)而言，PD從一個(gè)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(duì)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(gè)局部區(qū)域內(nèi)有4到24個(gè)端口，而它又是一個(gè)更大的多端口網(wǎng)絡(luò)的一部分(圖3)。
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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(jì)簡(jiǎn)
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(gè)端點(diǎn)PSE 交換機(jī)接收電源
端點(diǎn)PSE與不同于中間PSE的地方是它可以選擇利用信號(hào)線對(duì)同時(shí)傳輸電源和信號(hào)，也可以選擇空閑線對(duì)傳送電源。通常來講，PSE必須能夠通過信號(hào)線對(duì)或空閑線對(duì)提供電源，但不需要兩者同時(shí)提供電源。
受電設(shè)備(PD)
PD檢測(cè)
當(dāng)受電設(shè)備(PD)被接入以太網(wǎng)鏈路時(shí)，PSE必須檢測(cè)每個(gè)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(gè)25k膠托∮?20nF的特征識(shí)別，正是這一特征使PSE通過測(cè)量其“檢測(cè)特征”-共模終端來檢測(cè)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(cè)特征,同時(shí)其鏈路處于檢測(cè)模式,則即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
表3：PD 功率分級(jí)的五個(gè)級(jí)別及其分級(jí)特征
PSE對(duì)PD檢測(cè)的具體方法:
為實(shí)現(xiàn)這種檢測(cè)，PSE通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)V-I(電壓-電流) 點(diǎn)和從它們之間的斜率來計(jì)算電阻以判斷端口的共模終端來檢測(cè)需要供電的設(shè)備.就是利用2.7V至10.1V的限流電壓探測(cè)信號(hào)線。表1列出檢測(cè)狀態(tài)下PSE對(duì)要被檢測(cè)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?yàn)橥ǔ２捎枚O管橋來控制電壓極性。每個(gè)PD會(huì)用到兩個(gè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)方框圖)，因?yàn)镻D 必須向后兼容于中間PSE。而10mA的電流偏移是因?yàn)镻D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(cè)都將判定以太網(wǎng)設(shè)備為一
圖4：為簡(jiǎn)化PSE 電源控制應(yīng)用示意圖其PSE 電源控韌制硅為MAX5935
今天，有兩種主要的用電裝置成為推動(dòng)PoE增長(zhǎng)的主導(dǎo)力量，它們分別是：無線LAN接入點(diǎn)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(dòng)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(dòng)力卻來自于IP電話(VoIP)。
IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)還包含了一個(gè)可選的功能，稱為功率分級(jí)。這項(xiàng)功能使PSE能夠更加精細(xì)地管理其功率預(yù)算。PSE用一個(gè)稱為分級(jí)的第二次測(cè)量來判斷PD的峰值功率要求，掌握了這一信息后PSE就能對(duì)那些需要供電的設(shè)備提供電源，而不會(huì)損壞不需要供電的設(shè)備，并能有效地分配可用功率。
為實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)可選的功率分級(jí)方法，PSE施加一個(gè)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(jí)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(shí)，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(cè)有效PD的25k教卣韉繾?。这隔櫯息遍斱PSE管理任意給定時(shí)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(gè)PD使用的不同功率級(jí)別，以及它們所對(duì)應(yīng)的分級(jí)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(jí)2,一個(gè)PSE必須要能識(shí)別16mA到21mA的電流.
通過選擇合適的PSE控制器IC，還可以實(shí)現(xiàn)另外一些IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)之外的功能：即對(duì)于PSE向每個(gè)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(gè)優(yōu)先級(jí)順序，決定首先為那個(gè)端口加電，或者當(dāng)UPS或備用電源能量快用完時(shí)，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(diǎn)、或者一些經(jīng)營(yíng)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(cè)斷開的PD
PSE用“維持功率”特征檢測(cè)
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(shí)間保持75ms到250mS之間以減少功耗。PD也必須有一個(gè)電阻小于26．25k降腗PS共模阻抗與一個(gè)大于50nF電容并聯(lián)。通常，PD的旁路電容和負(fù)載會(huì)形成一個(gè)比26．25k降偷枚嗟淖榪埂?
PSE還要檢測(cè)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(cè)PD斷線的方法。例如，考慮這種情況，當(dāng)PD被斷開，而一個(gè)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)設(shè)備被立即插入交換機(jī)的同一個(gè)RJ-45 插孔時(shí)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(huì)受到傷害。
對(duì)PD 進(jìn)行交流阻抗測(cè)量一般要比純直流電阻測(cè)量方法更精確。一個(gè)小幅度的共模交流電壓與數(shù)據(jù)信號(hào)和48VDC 被同時(shí)送到以太網(wǎng)線上。然后測(cè)量交流電流并算出端口阻抗，如果PD還沒有被斷開，這個(gè)值應(yīng)該低于26.25k?。綔o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(cè)方法的其他更多細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)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(cè)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(jí)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(shí)現(xiàn)大部分工作。更強(qiáng)性能的器件能自主檢測(cè)和分級(jí)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(chǎng)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(xiàng)。出于對(duì)緊急情況的考慮，各種工作模式下的一些高級(jí)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(jiǎn)化的PSE電源控制示意圖,控制芯片為MAX5935,其特點(diǎn)為：四個(gè)獨(dú)立-48V PoE端口;可提供的工作模式包括自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、關(guān)斷和調(diào)試模式。自動(dòng)模式允許器件在無需軟件干預(yù)的情況下工作。半自動(dòng)模式(按需)連續(xù)檢測(cè)并分級(jí)連接到端口上的設(shè)備，但在接到軟件指令前不會(huì)給端口加電
PSE控加制器應(yīng)用實(shí)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(gè)端點(diǎn)PSE交換機(jī)上,MAX5940 PD接口控制器根據(jù)需要也可以加一個(gè)或二個(gè)。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(hào)線對(duì)或備用線對(duì)來實(shí)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?yàn)镻oE具有的這些優(yōu)勢(shì)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(dòng)。
（轉(zhuǎn)載）
