电源和数据可同一传输的新以太网供电系统

由于以无源电缆作为传输媒体,并以传输电磁波的以太（Enter）命令,所以有"以太网"之称, “以太网”是指采用IEEE 802.3标准的各种局域网（LAN）系统。而以太网供电（PoE） 是一种电源分配技术，一个更有吸引力的构想则是能同时将电源和数据传输至任何连到以太网上的设备,为此于2003年6月作为IEEE 802.3af标准获得了通过, 用于在以太网上传输和接收电源信号。

图1：为以太网通过一根传输以太网数据的CAT-5电缆米提供电源，同时将电源 和数据传输至任何连接到以太网的设备（IP 电话，无线接入点等）示意图

表1：IEEE 802.3af的PD要求开始于一个25K 和小于0.12μF的特征识别，为些对于这一个有效的PD特征，所有上述参数条件都必须被端点PSE或中间PSE检测到

表2：端点PSE或中间PSE检测到以上述参数条件就说明以太网设备是一个无效的PD

这种电源分配技术采用基于以太网供电的IEEE 802.3af标准, 如IP电话、无线接入点等功率小于12.95W的设备都可通过一根传输以太网数据的CAT-5电缆来提供电源,见图1所示.这就是说,并不是所有需要连续供电的网络设备,例如IP 电话、无线接入节点和保安摄像机或网络监控相机等都需要本地的交流电源了，它还意味着设备不一定非要放置在靠近墙上电源插座的位置，有些情况下电源线都可以省掉。 　　 以太网供电不仅去除了费事的壁式变压器，还有助于推出一整套新的设备，这些设备结合了数据和电源接口，并可对现有的10、100或1,000Mbps以太网设备后向兼容。IEEE 802.3af突破了以太网的应用，它主要是一个电源传输协议，而不是数据协议。

以太网供电（PoE）系统 　　 以太网供电连接完全由PSE来进行控制，其端口电压（VPORT）向PD传递链路状态 　　 在PoE系统中，通过现有的以太网接收电源的客户端设备被称为受电设备（PD）。向PD输送电力的设备称为供电设备（PSE）。通过每个RJ-45 端口（扦孔），PD可消耗的功率被限制在12.95W，PSE的输出被限制在15.4W。只要以太网电缆和物理层（PHY）变压器具有良好的平衡,每个PD可期望获得最大350mA的持续电流. 　　 考虑到CAT-5 以太网线（最长100m）上的电压降，IEEE 802.3af标准为PD和PSE规定了不同的电压规格。较长的连线上会产生显著的压降，这就迫使PSE输出比通常的48VDC更高的电压，以便输送给PD尽可能多的功率。因此,在以太网线上高达57VDC的电压将随处可见。

PoE网络可利用端点PSE或中间PSE实现 　　 端点PSE（供电设备） 　　 端点PSE在同一设备内集成了以太网交换机和电源,即PSE结合了IEEE 802.3af电源供电功能与数据终端设备（DTE）功能，或目前以太网交换机和集线器的转发器功能。这些PSE位于以太网连线的另一个端点（即网络连接的终端）上，并称为端点（endpoint）。这些端点一般通过数据线对（信号线对）输送电源，因为这些线对肯定连在PD上。这种以太网交换机有时被称为具有“在线电源”（见图2）。端点PSE最适合于新的网络基础设施的部署。

图2：在端点供电设备PSE 和受电设备（PD）的POE 系统的连接中， 电源通过信号线对传送

中间PSE（供电设备） 　　 中间PSE安装在数据交换机和PD之间的连线上，这类PSE称为中间（midspan） 或称中跨，电源可利用中间PSE方式注入网线。中间PSE通过CAT-5电缆中的“空闲线对”提供电源,见图3所示.而数据线对则直接通过,即对于基于中间的网络而言，PD从一个已有的非802．3af交换机接收数据而从中间获得电源。 　　 此类中间PSE,对于只有少数以太网设备需要电源的情况适用，这种方法更具成本效益。这样的典例通常是在一个局部区域内有4到24个端口，而它又是一个更大的多端口网络的一部分（图3）。

图3：为采用MAx5935 PSE 控和制器和MAX5940 PD 接口的PoE供电系统设计简 化方框图，该PoE 供电系统可工作于千兆位以太网的PD必须向后兼容于PSE应用， 因此要从一个端点PSE 交换机接收电源

端点PSE与中间PSE的不同 　　 端点PSE与不同于中间PSE的地方是它可以选择利用信号线对同时传输电源和信号，也可以选择空闲线对传送电源。通常来讲，PSE必须能够通过信号线对或空闲线对提供电源，但不需要两者同时提供电源。 　　 受电设备（PD） 　　 PD检测 　　 当受电设备（PD）被接入以太网链路时，PSE必须检测每个以太网设备是否需要电源。因而PD必须表现出区别于传统以太网设备的特性。IEEE 802.3af标准的PD要求开始于一个25k胶托∮?20nF的特征识别，正是这一特征使PSE通过测量其“检测特征”-共模终端来检测需要供电的设备,将PD从不需要供电的其它以太网设备中区分出来。PD只需要具有这些检测特征,同时其链路处于检测模式,则即可实现检测。

表3：PD 功率分级的五个级别及其分级特征

PSE对PD检测的具体方法: 　　 为实现这种检测，PSE通过测量两个V-I（电压-电流） 点和从它们之间的斜率来计算电阻以判断端口的共模终端来检测需要供电的设备.就是利用2.7V至10.1V的限流电压探测信号线。表1列出检测状态下PSE对要被检测为有效的PD必须具备的参数条件。表1参数之所以允许1.9V的串联电压偏移是因为通常采用二极管桥来控制电压极性。每个PD会用到两个这样的二极管全桥（见图4所示,为用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供电糸统简化设计方框图），因为PD 必须向后兼容于中间PSE。而10mA的电流偏移是因为PD内部通常具有一定的泄漏。另外,通过表2给出了另外一系列参数条件，任何满足这些条件的检测都将判定以太网设备为一个无效的PD。

图4：为简化PSE 电源控制应用示意图其PSE 电源控韧制硅为MAX5935

PD功率分级 　　 今天，有两种主要的用电装置成为推动PoE增长的主导力量，它们分别是：无线LAN接入点和IP电话（VoIP）电话以及它类型的以太网设备（RFID阅读器、PDA充电器、移动电话甚至膝上电脑等.而促使供电与以太网走向结合的最早开始的动力却来自于IP电话（VoIP）。 　　 IEEE 802.3af标准还包含了一个可选的功能，称为功率分级。这项功能使PSE能够更加精细地管理其功率预算。PSE用一个称为分级的第二次测量来判断PD的峰值功率要求，掌握了这一信息后PSE就能对那些需要供电的设备提供电源，而不会损坏不需要供电的设备，并能有效地分配可用功率。 　　 为实现这项可选的功率分级方法，PSE施加一个14.5V至20.5V间的探查电压。作为回应则PD呈现出某种特征（分级电流），指示PSE该PD将要吸取的最大功率。PD在接收电源（一般为48VDC）时，消耗的功率能可高达12.95W。如果PD一直未接入或处于关断状态，PSE就停止输送电源，并不断检测有效PD的25k教卣鞯缱琛Ｕ飧鲂畔⒈阌赑SE管理任意给定时刻它向已连接的PD传递的最大功率。表3列出了可以供应一个PD使用的不同功率级别，以及它们所对应的分级特征,表中的分类电流是PD上的电流,PSE电流范围更宽一些,例如,按等级2,一个PSE必须要能识别16mA到21mA的电流. 　　 通过选择合适的PSE控制器IC，还可以实现另外一些IEEE 802.3af标准之外的功能：即对于PSE向每个端口输出功率的硬性限制。 　　 另外一些紧急情况下非常有用的功能是，PSE能够排出一个优先级顺序，决定首先为那个端口加电，或者当UPS或备用电源能量快用完时，哪些端口应该首先被切断。然后，交换机就可维持最重要的以太网端口的供电。这样的端口可能包括E911电话、标记阅读器、某些监视摄像头或接入点、或者一些经营性的数据电路。这些失效保护特性被整合于PSE 控制器IC 内部，可通过硬件接线或软件方式进行配置，有助于紧急情况下管理功率预算。因此，应寻找软件可配置的PSE 控制器IC。

检测断开的PD 　　 PSE用“维持功率”特征检测 　　 PSE加电给PD后，按照IEEE 802.3af 标准它必须监视PD的“维持功率”特征。PD必须吸收最低为10mA的电流，这样PSE就能知道它还保持连接。像恒温调节器这类功率敏感的应用可以通过脉冲调制使“保持功耗特征（MPS）”电流为10mA，并且脉冲间隔时间保持75ms到250mS之间以减少功耗。PD也必须有一个电阻小于26．25k降腗PS共模阻抗与一个大于50nF电容并联。通常，PD的旁路电容和负载会形成一个比26．25k降偷枚嗟淖杩埂?

PSE还要检测PD是否已断线 　　 IEEE 802.3af标准定义了交流和直流两种检测PD断线的方法。例如，考虑这种情况，当PD被断开，而一个传统的以太网设备被立即插入交换机的同一个RJ-45 插孔时的情况。如果48VDC电源没有在PD离开后被立即切断，传统设备就会受到伤害。 　　 对PD 进行交流阻抗测量一般要比纯直流电阻测量方法更精确。一个小幅度的共模交流电压与数据信号和48VDC 被同时送到以太网线上。然后测量交流电流并算出端口阻抗，如果PD还没有被断开，这个值应该低于26.25k健＝涣鞯缪沟钠德视Ω迷?MHz至100MHz之间。有关直流和交流断线检测方法的其他更多细节，设计者应参考IEEE 802.3af标准。不管选择哪种方法，都必须迅速执行测量，并在PD断线后迅速移走电源。

用于以太网供电的电源控制硅片及其高级特性 　　 目前，一些IC供应商正在生产能满足802.3afPSE要求的芯片，其中有一些方案采用微控制器的外围器件来提供以太网供电接口，但要依赖控制器软件来实现大部分工作。更强性能的器件能自主检测和分级有效PD，以及用最小的软件开销来管理过电流和断接。这些器件可能只需要系统软件来决定是否还有足够的功率余量来满足PD的功率要求。 　　 当今用于多端口PSE 的硅芯片现在已可从市场上找到，最常见的是控制四端口在线电源的PSE控制器。具有兼容串行接口、具有可编程寄存器的器件提供了配合MCU使用的选项。出于对紧急情况的考虑，各种工作模式下的一些高级特性现在变得日益重要，而且重要性进一步扩大了。 　　 图5为简化的PSE电源控制示意图,控制芯片为MAX5935,其特点为：四个独立-48V PoE端口;可提供的工作模式包括自动、半自动、手动、关断和调试模式。自动模式允许器件在无需软件干预的情况下工作。半自动模式（按需）连续检测并分级连接到端口上的设备，但在接到软件指令前不会给端口加电。手动模式允许软件完全控制器件，对于系统诊断非常有用。关断模式终止所有活动，并关闭端口上的电源。最后，调试模式允许精细地步进器件状态机，以便进行细致的系统诊断。 　　 PSE控加制器应用实例见图4所示, 是用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供电糸统简化设计方框图.它给出了千兆位以太网中PSE 和PD的连接。由于千兆位以太网不支持中间电源注入，100/10M以太网模式只能连接到一个端点PSE交换机上,MAX5940 PD接口控制器根据需要也可以加一个或二个。PD还需DC-DC 转换器以输出 Vout -Vout.

总结 　　 IEEE 802.3af标准是通过以太网信号线对或备用线对来实现以太网设备供电，从而摆脱了采用交流适配器所带来的麻烦，并将进一步拓展以太网技术的应用领域. 　　 用遍及各地的网络所具有的RJ-45端口（扦孔），它不仅给你带来了数据包，还带来了电源。正因为PoE具有的这些优势使以太网供电成为一种突飞猛进的新技术，它从根本上改变了低功耗类设备的供电方式。还有更多的设备能通过以太网供电驱动。