以太网供电技术

来源：Computing and Control Magazine Power over Ethernet (PoE) brings a host of benefits to the design, implementation and long-term usability of wired Ethernet local area networks (LANs). Cost, flexibility and even safety are all enhanced. It overcomes the major limitation that system designers often encounter whereby they must locate powered network devices within close proximity to AC power outlets. 以太网供电（Power over Ethernet，PoE）给有线以太局域网的设计、实施和长期可用性带来诸多好处，成本、灵活性、乃至安全都得到增强。它克服了系统设计人员经常遇到的障碍——必须把用电的网络设备和交流插座尽量放在一起。 有了PoE，数据和电力就以安全标称48V直流电传输于同一条以太网电缆上。如果网络设备能配置为48V工作，那么，网络设备对本质不安全的交流供电——通过某个建筑物交流环网引出单独电缆线——的需求，得以消除。 PoE使设备定位不受电源线的限制，使设备拥有随商务需求变化而迁移的长期易用性，这两点都是任何组织都想要的好处。 比如，对于网络安全摄像机，当它们需挂在高墙上而远离交流电源时，PoE对其就很有用。在供电以太网上使用的典型设备，比如VoIP电话、摄像机和Wi-Fi接入点，可能需要特别设计以适应在以太网48V直流情况下工作。 在网络设备中，DC/DC转换器通常需要隔离48V电源，并下调到一个低电压，如5V ，以适应设备的电源要求。为了充分利用PoE，网络设备也会需要进行握手过程，以允许网络集线器确认这个支持PoE的设备，理解和管理它需要的特定功率。 PoE网络基础 一个PoE系统主要有三个部分，供电设备（power sourcing equipment，PSE），受电设备（powered device，PD）和电缆。PSE连接以太网交换机，一般由UPS提供48V直流电。 PSE为网络上所有设备提供数据，为所有PoE兼容设备提供数据和电力。尽管标称电压是48V直流，但其支持范围是44-57V直流。 PoE 受电设备的范围持续迅速地增长，PoE技术的应用被市场所接受。当前能够使用的设备主要包括VoIP 电话、EPOS 系统和Wi Fi 接入点。 PD给PSE一个“签名”，告诉它自身支持PoE以及所需电量。通常由PD内的DC/DC转换器对电源进行管理和转换，更多细节可见文章后半部分。 CAT5（五类网线）本是用来传输数据，但空余的导线可用于传输附加的电力。PoE标准IEEE802.3af详细定义了其如何工作，并提供了一种PoE设计和实施方式的工业平台。 电力传送 标准CAT5以太网电缆有四路双绞线，其中只有两路用来传输数据。通过PoE，IEEE802.3af标准支持直流电源不受极性限制通过两路空闲线路进行传输，或者把电力加载在两路数据线路上，高度灵活。PoE全兼容设备必须能够从这两种方式中选择一项。 当前，IEEE标准允许标称电压48V和大约15W功率，通过一条传输容量13W的以太网线，给受电设备供电。对于功率的限定确实影响了可用PoE的外围设备类型。 然而，有人建议修改标准以支持更大的功率，因此更多类型的设备可在以太网上通过五类网线供电。比如支持PoE的笔记本可以直接从网络连接中充电，而不必用笨重的AC适配器。 为防止损坏已有的可能并不兼容PoE的以太网设备，IEEE802.3af标准要求有一个PSE发起的“发现进程”。这个进程将检查电缆寻找支持PoE的设备。它将校验远程设备能否呈现出25KΩ的排阻，如是，将会供给48V电源。 同时，供电也将进行限流，以防止故障情况下对设备和线路的任何损坏。在连接之前，PD也会返回PSE一个信号以表明在四个功率级别中自己的类型。 如果受电设备从电缆上汲取的电流小于一个阀值——设备掉线时这将可能发生——PSE在这条线路上就会切断电源，此外并可探测电源对其他设备是可用的。在供电中断时，PSE可能从选择的非关键设备上断开电源，以增加UPS的最大运行时间，维持更多的关键安全设备运行。 电力转换 支持PoE的设备通常需要隔离的DC/DC转换器来变换电压，从48V到PD所需合适低压值。在PoE应用中，IEEE802.3af严格定义了转换器低噪、启动和隔离要求。比如，C&D技术公司NPH10系列就是一个理想的兼容产品。C&D在它的NMPD产品中提供了一个完整的接口方案。它集成了数据隔离转换、PoE握手过程和能够转换到用户指定输出电压的DC/DC转换器，SIP（会话发起协议）模块提供了连接以太网线缆的遵循PoE的数据和供电接口。 连在网络集线器上的48V以太网电源也由IEEE标准所定义（实际电压可为44-57V直流）。然而，因为以太网线路上有明显的压降，PoE标准允许受电设备的最小工作电压值低至30V。48V不仅可以来自于AD转换器，而且可以引自现有系统。在这种情况下，PSE端需要另一个高功率隔离的DC/DC转换器。 设计共用PSE的DC/DC转换器，尽管PoE标准没有定义，但仍需拥有多个理想特性使它更符合需求。以C&D技术的HHS04-520为例，其设计完全基于PoE，不仅遵循标准，而且有着很高的功率密度，它能够从一个非常小的模块中输出200W功率。 这一点非常重要，因为很多非PoE集线器可能需要重新设计以使他们适应于供电网络。工程师们经常被分配任务，把PoE相关电路安装到已有系统中——所以转换器越紧凑越好。 HHS04模块输入电压48V，输出隔离电压52.5V、输出功率200W，在全负载情况下效率达92%。考虑到嵌入式系统中的转换器更好的热量管理，IEEE802.3af设定了一个开放的结构设计，它还降低了组件应力标准，增加可靠性和模块寿命。C&D还有一个用于更大PoE系统的400W的HHS08模块正在开发中。 工程师在设计支持PoE设备时也许希望DC/DC转换器包括如下特征，过热保护、远程感应和远程开关、输出微调。 用于PoE网络装置的新一代DC/DC转换器也许包含诸如PSE握手和以太网数据隔离等更多集成功能。这将有助于简化PoE设备开发，减少了电子设计工作，降低PCB基板的PoE兼容要求。 总结 PoE无疑将改变很多电子设备的供电方式。这种方法带来巨大的的利润和灵活性，对于各种商业应用也是不可忽略的，对于公司率先采用PoE，无论是进行新的部署或是改造现有设备，都是值得考虑的。