對(duì)以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)的研究

胡 云（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，重慶 401331）

0 引 言

無(wú)線電話及網(wǎng)絡(luò)攝像頭等終端設(shè)備通常數(shù)量眾多,安裝位置特殊,為其供電相對(duì)困難，其實(shí)施部署需要增加供電及安裝成本。如采用以太網(wǎng)供電(Power over Ethernet，PoE) 這項(xiàng)創(chuàng)新的技術(shù)，通過(guò)CAT 5/5e/6類非屏蔽雙絞線，對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備既傳輸數(shù)據(jù)又提供直流供電，將極大地減少部署終端設(shè)備的電源和管理成本。PoE不僅對(duì)于那些需要用電、但電源并不方便獲取的設(shè)備特別有幫助，而且一般的終端設(shè)備也可以從這項(xiàng)技術(shù)中獲益。

1 PoE系統(tǒng)的組成

IEEE（美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)）于2003年6月批準(zhǔn)了PoE標(biāo)準(zhǔn)－IEEE 802.3af，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了PoE技術(shù)[1]。在PoE系統(tǒng)中，提供電源的設(shè)備被稱為供電設(shè)備(Power Sourcing Equipment，PSE)，而使用電源的設(shè)備稱為受電設(shè)備(Powered Device，PD)。從PSE到PD的供電是利用5/5e/ 6類非屏蔽雙絞線電纜，有A和B兩種模式。模式A采用雙絞線電纜中的1、2、3、6四根數(shù)據(jù)線(1、2線為發(fā)送數(shù)據(jù)線，3、6線為接收數(shù)據(jù)線)傳輸供電，模式B則采用雙絞線電纜中的4、5、7、8四根空閑線來(lái)傳輸供電。

PoE主要應(yīng)用在為IP電話機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)（AP）、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)圖像采集設(shè)備以及其他一些基于IP的終端傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)設(shè)備的供電。通常，一個(gè)IP電話機(jī)的功耗約3～5W，一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)（AP）的功耗約6～12W。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的功耗約10～12W。圖1是以太網(wǎng)供電的示意圖。

圖1 以太網(wǎng)供電示意圖

2 兩種類型的PSE

PoE有兩種類型的PSE，一種為端接式PSE(Endpoint PSE)，另一種為中跨式PSE (Mid-span PSE)。

（1）端接式PSE

端接式PSE內(nèi)置于PoE交換機(jī)或其它網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備中。一般一臺(tái)設(shè)備提供一定數(shù)量的PoE端口。它采用模式A或模式B傳輸供電，并可以和10BASE-T、100 BASE-TX 或1000BASE-T 數(shù)據(jù)傳輸兼容。

端接式PSE一直受到以太網(wǎng)交換機(jī)對(duì)輸送電力容量的限制。如果一個(gè)24端口的PoE交換機(jī)在每個(gè)端口都提供15.4W的輸出功率，那么整個(gè)PoE交換機(jī)要求提供高達(dá)370W的輸出功率，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)交換機(jī)過(guò)熱的問(wèn)題。

（2）中跨式PSE

在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)交換機(jī)不支持PoE，而終端設(shè)備又需要PoE時(shí)，可以使用中跨式PSE供電。圖2顯示了一款中跨式PSE，也稱電源輸入器。它有兩個(gè)RJ-45接口，一個(gè)是數(shù)據(jù)輸入口，使用雙絞線電纜連接至不具有PoE功能的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備（如非PoE交換機(jī)）；而另一個(gè)是數(shù)據(jù)和電源共用輸出口，用雙絞線電纜連接至用電設(shè)備(PD)。中跨式PSE采用模式B供電。

圖2 中跨式PSE（左是前視圖；右是后視圖）

圖3 多路中間跨接式PSE的應(yīng)用連接

實(shí)際應(yīng)用中，一些設(shè)備廠商還提供有多路端口的中跨式 ，可以同時(shí)為多路PD供電。如圖3所示的是多路中間跨接式PSE的應(yīng)用連接[2]。中間跨接式PoE技術(shù)在提供多路高功率的電力的同時(shí)不會(huì)引起交換機(jī)的過(guò)熱和數(shù)據(jù)丟失等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。

3 PSE的工作原理

PoE的主要設(shè)備是PSE，它負(fù)責(zé)對(duì)PD的檢測(cè)、分級(jí)、上電、 斷路檢測(cè)等功能[3]。一旦當(dāng)某個(gè)PD被加載，PSE將立即檢測(cè)到，并將在設(shè)備被移開(kāi)時(shí)切斷電源。PSE還提供過(guò)流保護(hù)，以防止自己和PD遭受損壞。

3.1 檢測(cè)

PSE向線路供電之前，它是用一個(gè)較低的電壓來(lái)檢查25kΩ特征電阻，以避免將48V電壓加給非兼容PoE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而對(duì)其造成危害。在加電之前，PSE首先輸出2.8V～10V的探測(cè)電壓去偵測(cè)是否有PD接入，具體實(shí)施時(shí)是將2.8V～10V之間的兩個(gè)電壓（間隔在1V或以上）送到網(wǎng)絡(luò)鏈路，然后根據(jù)得到的兩個(gè)不同的電流值運(yùn)算出電阻RPD（ΔV/ΔI）進(jìn)行比較，通常我們將此方法稱為兩點(diǎn)檢測(cè)法。如果檢測(cè)到的電阻值在12～23.75kΩ 或在26.25～45kΩ，PSE 將會(huì)正確檢測(cè)到PD，但并不認(rèn)為PD在申請(qǐng)電源，當(dāng)然也不會(huì)向PD輸送電源；而如果相應(yīng)的電阻值小于12kΩ或者大于45kΩ，PSE將根本不會(huì)正確識(shí)別PD。

當(dāng)PSE在PD端口處用2.7V～10.1V的電壓偵測(cè)時(shí)，PD必須具有表1所示的輸入特性。

表1 IEEE802.3af對(duì)PD偵測(cè)特征的規(guī)定

3.2 分級(jí)

由于PD種類眾多，需要的電源功率也存在很大差別，所以PSE一旦偵測(cè)到有效的PD，接下來(lái)會(huì)進(jìn)行PD功率分級(jí)操作。在這一階段，PSE會(huì)向鏈路饋送一個(gè)15.5V～20.5V的探測(cè)電壓，同時(shí)檢測(cè)鏈路上的電流。此時(shí)，PD的一個(gè)分級(jí)電阻被串聯(lián)進(jìn)鏈路中，該分級(jí)電阻的大小會(huì)直接改變整個(gè)鏈路的電流值。PD通過(guò)從線上吸收一個(gè)恒定電流(分級(jí)特征信號(hào))來(lái)向PSE表明自己所需的最大功率，PSE測(cè)量這個(gè)電流以確定PD屬于哪個(gè)功率級(jí)別。分級(jí)期間使用的電流必須限制到100mA內(nèi)，以避免損壞失效的PD，而且它的連接時(shí)間不能超過(guò)75ms，以對(duì)PD功耗加以控制。

分級(jí)操作向PSE提供PD正常工作時(shí)需要的最大功率信息，這樣可以方便PSE對(duì)PD進(jìn)行電源管理。PD的電源級(jí)別有0-4級(jí)，默認(rèn)情況下是0級(jí)，在表2[4]中詳細(xì)的列出了幾種級(jí)別的區(qū)分標(biāo)志。

表2 IEEE802.3af對(duì)PD分級(jí)的規(guī)定

3.3 供電

電流的大小來(lái)判斷PD是否在線。當(dāng)電流在給定時(shí)間tdis(300～400ms)內(nèi)保持低于閾值Imin(5～10mA)，PSE就認(rèn)為PD不存在，從而切斷電源。這種方法的缺點(diǎn)就是，當(dāng)PD工作在低功耗模式時(shí)，為避免掉線PD必須周期性地吸取一定的電流。

（2）AC斷路檢測(cè)法

AC斷路檢測(cè)法是PSE通過(guò)檢測(cè)端口的阻抗來(lái)檢測(cè)PD的存在。當(dāng)沒(méi)有設(shè)備連接到PSE時(shí)，端口應(yīng)該是高阻抗，可能達(dá)到幾MΩ；而當(dāng)接有PD時(shí)，端口的阻抗會(huì)小于26.5kΩ；如果PD消耗大量功率，那么阻抗通常會(huì)更低。

在獲知到PD的確切電源功率級(jí)別后，PSE會(huì)將饋送電壓升高，開(kāi)始為PD供電。PD就會(huì)從PSE獲得一個(gè)44V到57V的電壓[5]。供電期間，PSE還要對(duì)每個(gè)端口的供電情況進(jìn)行監(jiān)視，提供浪涌電流限制、過(guò)壓保護(hù)以及欠壓鎖定等。這時(shí)PD要遵守下列幾條規(guī)定：

（1）在端口電壓升到30V以前，它不應(yīng)該消耗太大的負(fù)載電流，以避免與分級(jí)特征信號(hào)互相干擾；

（2）當(dāng)電壓達(dá)到42V時(shí)，它必須處于完全工作狀態(tài)。工作狀態(tài)時(shí)PD端口電壓應(yīng)該在36～57V，而當(dāng)PD的端口電壓跌落到30～36V時(shí)，PD應(yīng)該關(guān)斷端口。

（3）PD工作時(shí)不能連續(xù)消耗350mA及以上電流或12.95W及以上功率，短時(shí)內(nèi)允許有400mA的浪涌電流。

（4）PD的輸入電容必須低于180μF，以便在電源接通時(shí)將浪涌電流保持在合理的水平；如果輸入電容大180μF，PD就要主動(dòng)限制浪涌電流，使它低于400mA。

4 IEEE802.3at采用新的分級(jí)機(jī)制

2009年發(fā)布的IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)旨在應(yīng)對(duì)能耗需求的增高，可以支持PSE最大輸出功率30W，給單個(gè)PD提供高達(dá)25W的輸入功率。PoE將惠及以前不符合標(biāo)準(zhǔn)PoE功率限制的大范圍產(chǎn)品[5]。

IEEE802.3at采用了新的Layer2分級(jí)機(jī)制：硬件分級(jí)機(jī)制和數(shù)據(jù)層機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了802.3af PD可以由802.3at PSE供電，而且802.3at PD能夠知道是否能得到所需的全部功率。每種組合都需要有明確定義和一致的工作規(guī)則，這樣保證了互操作性。新的Layer2分級(jí)機(jī)制對(duì)PSE而言是可選的，但是要求PD實(shí)施。圖4顯示了IEEE802.3at中使用的分級(jí)方法。

4.1 硬件分級(jí)機(jī)制

3.4 斷路檢測(cè)

PSE不能向非PD設(shè)備傳輸電力，同樣PSE也不能在PD已經(jīng)斷開(kāi)后還使電源處于接通狀態(tài)，因?yàn)楣╇婋娎|有可能會(huì)插在一個(gè)非PD設(shè)備上，或引起纜線的短接。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種方法讓PSE檢測(cè)PD是否斷開(kāi)，即DC斷路檢測(cè)法和AC斷路檢測(cè)法，不同的芯片供應(yīng)商根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況選擇最適合他們系統(tǒng)的檢測(cè)方法。

（1）DC斷路檢測(cè)法

DC斷路檢測(cè)法是根據(jù)從PSE流向PD的直流

硬件分級(jí)機(jī)制被稱為“兩事件分級(jí)”，并涉及那些基本上重復(fù)兩次802.3af電壓探測(cè)的PSE。每次對(duì)PD的電壓探測(cè)都同時(shí)引起一個(gè)被吸收的電流脈沖(參見(jiàn)圖4)，該電流脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的功率級(jí)。首先，PSE在數(shù)據(jù)或備用線上確定一個(gè)15.5V～20.5V的電壓脈沖。PD以高達(dá)40mA的電流響應(yīng)，告訴PSE它是4個(gè)功率級(jí)中的哪一個(gè)。接著PSE發(fā)出一個(gè)至PD的雙脈沖信號(hào)，告訴PD所連接的PSE確實(shí)是一個(gè)大功率PSE，能夠提供802.3at規(guī)定的較高功率。802.3at PD以4級(jí)電流響應(yīng)，告訴PSE它是一個(gè)大功率PD，需要25.5W功率。在802.3af中，Layer1分級(jí)方法是可選的方法，供PSE查詢PD，以確定PD的功率需求。在802.3at規(guī)范中，命令PSE執(zhí)行這種分級(jí)方法。

4.2 數(shù)據(jù)層分級(jí)

圖4 PoE+ Layer1和Layer2分級(jí)機(jī)制

802.3 at還定義了一個(gè)新的數(shù)據(jù)層分級(jí)，稱為“鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（LLDP）”，用于PSE和PD之間的通信。一旦鏈路受電，PSE和PD將能夠采用LLDP來(lái)確定PD的功率需求。采用LLDP后，允許PSE重復(fù)查詢PD，以了解PD狀態(tài)及其功率需求。有了這個(gè)機(jī)制，就有可能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率分配，PSE可以不斷向PD發(fā)布新級(jí)別的功率，PD也可以提出并在隨后放棄功率請(qǐng)求。隨著PoE系統(tǒng)向更加環(huán)保的電源環(huán)境發(fā)展，這種新的動(dòng)態(tài)功率分配將會(huì)成為一種重要功能。

5 超越IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

隨著新的技術(shù)需求，人們需要更高功率的PoE。新的PoE產(chǎn)品如今可以支持的功率已高于現(xiàn)有IEEE802.3af/at標(biāo)準(zhǔn)的供電，擴(kuò)大了具備PoE功能的產(chǎn)品和設(shè)備數(shù)量。高功率的中跨和端跨設(shè)備，支持多重射頻無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)、云臺(tái)變焦監(jiān)控?cái)z像頭和流媒體視頻顯示IP電話的供電應(yīng)用。

PoE顯示器方案也是在PoE功率提高中獲得應(yīng)用的，功能更強(qiáng)大的客戶端也成為可能，若采用節(jié)能型的移動(dòng)芯片方案，甚至能擺脫瘦終端的性能局限，直接驅(qū)動(dòng)一臺(tái)桌面PC。在2010年深圳高交會(huì)上，AOC展出了“不開(kāi)機(jī)就上網(wǎng)”的云計(jì)算液晶顯示器[6]，通過(guò)一個(gè)網(wǎng)線端口就能上網(wǎng)，其會(huì)將一些數(shù)據(jù)處理工作交給云端完成，然后再將結(jié)果返回到顯示器上。在這款云計(jì)算液晶顯示器上，完全看不到傳統(tǒng)顯示器的尾巴——電源線。云計(jì)算液晶顯示器的出現(xiàn)，可以視為顯示器擺脫電源線束縛的熱身運(yùn)動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷延伸，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)備日益增多，PoE技術(shù)將給眾多受電設(shè)備的安裝和使用帶來(lái)極大的方便。作為網(wǎng)絡(luò)化電源管理的一種應(yīng)用，PoE供電功率的提升使該技術(shù)能夠更廣泛地應(yīng)用于各種采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接的設(shè)備，并促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化電源管理技術(shù)在其他非以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的應(yīng)用，從而使智能網(wǎng)絡(luò)化電源管理技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊。

[1 ] IEEE Std 802. 3af-2003[EB/OL]. http://standards.

ieee.org/getieee802/802.3.html.2003-6-18.

[2] Tim Peberdy. PoE以太網(wǎng)供電技術(shù) [J].電子產(chǎn)品世界，2010，12:62-63.

[3] 劉佳,黃華.兼容IEEE802.3af的高功率以太網(wǎng)供電PD端設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2008,5:160-164.

[4] 應(yīng)進(jìn)平.以太網(wǎng)供電技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代傳輸，2006,3:85-87.

[5] 安森美半導(dǎo)體.集成IEEE802.3at PoE-PD接口控制器[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=NCP1094.

[6] 和訊百科.PoE供電顯示器 [EB/OL]. http://wiki.hexun.com/view/15625.html