以太網(wǎng)供電(PoE,PowerOverEthernet)是一種剛被批準(zhǔn)為IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的供電技術(shù)。它利用了普遍存在的通用以太網(wǎng)絡(luò),在傳送數(shù)據(jù)包的同時完成直流電源的輸送工作。zui近批準(zhǔn)的這個IEEE標(biāo)準(zhǔn)似乎將成為*個通用電源插口或插座定義在范圍使用的實例。它意味著,對諸如、無線接入點以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控攝像頭等需要持續(xù)供電的各種連網(wǎng)設(shè)備來說,不必再連接自己的交流電源。它還意味著這些設(shè)備無需放在交流電源插座附近,所以可以省掉電源電纜。
在PoE系統(tǒng)中,通過現(xiàn)有以太網(wǎng)接受電源的客戶端設(shè)備叫做受電設(shè)備(PD),為PD提供電源的設(shè)備叫供電設(shè)備(PSE)。PD的功耗限制在12.95W,PSE輸出限制為每個RJ-45端口15.4W。在以太網(wǎng)連接電纜和物理層設(shè)備(PHY)變壓器保持良好平衡的情況下,每個PDzui多可以獲取350mA的連續(xù)電流。
考慮到沿CAT-5
以太網(wǎng)傳輸線(可達(dá)100米長)的電壓降,IEEE標(biāo)準(zhǔn)為PD和PSE規(guī)定了不同的功率額定值。在較長的鏈路上電壓降會更明顯,因此PSE的輸出電壓要高于標(biāo)稱的48VDC,以使PD獲得zui大功率。因此,在以太網(wǎng)鏈路上到處都可以見到高達(dá)57VDC的電壓。
大多數(shù)PoE網(wǎng)絡(luò)可以采用端點(endpoint)或中跨式(midspan)PSE實現(xiàn)。端點PSE在單個設(shè)備里集成了以太網(wǎng)交換機和電源,它被放置在以太網(wǎng)鏈路的另一端。因為在以太網(wǎng)鏈路的端點已存在電源,這種類型的PSE提供了實現(xiàn)PoE網(wǎng)絡(luò)的zui簡便的方法。這種以太網(wǎng)交換機有時也稱為已具備“線上電源”(inlinepower)。如圖1所示,端點PSE很適合用來部署新的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。
圖1,對端點PSE和PD設(shè)備來說,電源是通過信號線對分配的。這種類型的PSE提供了實現(xiàn)一個PoE網(wǎng)絡(luò)zui簡便的方法,因為電源已經(jīng)通到了以太網(wǎng)連接的端點上。
對于那些不能用這種方式升級的現(xiàn)有以太網(wǎng),可以采用中跨式PSE,將電源插入到以太網(wǎng)里。中跨式PSE可以通過CAT-5電纜中的“空閑線對”提供電源,如果只有幾個以太網(wǎng)設(shè)備需要供電,這是一個成本效益的方法。例如有4至24端口的局域網(wǎng),它可以是更大規(guī)模的多端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分(見圖2)。端點PSE與中跨式PSE不同之處在于它的供電選擇方式——可以與信號線在同一線對上,也可以在空閑線對上。一般來說,一個PSE必須能夠通過信號線對或空閑線對提供電源,但不必兩者都用。
圖2,對中跨式PSE和PD設(shè)備來說,電源是通過空閑線對分配的。中跨式PSE方法更適用于不進(jìn)行大規(guī)模變動的現(xiàn)有以太網(wǎng)。
雖然看似簡單,但設(shè)計這種系統(tǒng)要付出相當(dāng)?shù)呐?。它們必須具備向后兼容性,以保證老設(shè)備不會在以太網(wǎng)上接到48VDC電壓。IEEE802.3af包含了向后的兼容性,并且包括了為以太網(wǎng)供電的可選擇性,因而也具備向前兼容性。對于一位設(shè)計人員,如果他正在開發(fā)的產(chǎn)品計劃運行在新的或現(xiàn)有系統(tǒng)——用于千兆以太網(wǎng)或1000BASE-T/TX,從本文中將會得到一些啟示。
面對千兆以太網(wǎng)的電纜選擇
千兆以太網(wǎng)可以與端點PSE一同工作,但不能采用中跨式PSE,因為它把CAT-5電纜中的所有四對線都用于數(shù)據(jù)傳輸。與之相比,10BASE-T和100BASE-TX只用兩對線傳輸數(shù)據(jù)(線對1-2和3-6),留下的空閑線對(4-5和7-8)可以引入中跨式電源。因此,為了給千兆以太網(wǎng)提供線路供電,就需要端點PSE交換機。
IEEE802.3af支持CAT-3電纜,因為它zui初用于10BASE-T系統(tǒng)。但是,為了zui大限度地保證新網(wǎng)絡(luò)部署中信號的完整性,并且考慮到每次電纜鋪設(shè)一般有10年的使用期,我們推薦使用盡可能高等級的以太網(wǎng)電纜(CAT-5e或CAT-6)。千兆以太網(wǎng)(具體講是1000BASE-T)需要CAT-5電纜,但有些使用CAT-5的應(yīng)用以及千兆以太網(wǎng)交換機已經(jīng)接近其zui低限度的邊緣。因此,的1000BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)要求使用CAT-6電纜,而zui初的1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)要求使用CAT-5電纜。
檢測PD
當(dāng)PSE連接到以太網(wǎng)上時,PSE必須檢測每個以太網(wǎng)設(shè)備是否需要供電。因此,PD必須表現(xiàn)出與老式以太網(wǎng)設(shè)備不同的特征。在檢測時,PSE進(jìn)行的是V-I測量,同時用一個2.7V至10.1V的限流電壓對信號線進(jìn)行探測。表1列出了作為一個有效PD在檢測時所*的標(biāo)準(zhǔn)。所允許的1.9V偏差是通常用于控制電壓極性的二極管橋路產(chǎn)生的。由于PD必須向后兼容于中跨式PSE應(yīng)用,所以每個PD需要兩個這樣的二極管橋路(見圖3)。10μA的電流偏移通常是由于PD內(nèi)的泄漏引起的。表2列出了另一個標(biāo)準(zhǔn)集,任何沒有通過這個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備都是無效的PD。
PD的功率分級
推動電源與以太網(wǎng)相結(jié)合的zui早動力是語音(VoIP)。因為有非常多的以太網(wǎng)設(shè)備(RFID閱讀器、PDA充電器、甚至筆記本電腦等)可以采用這種方便的供電方式,因此IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)包括了一個可選的特性,名為功率分級(PowerClassification),它可以讓PSE更準(zhǔn)確地管理功率預(yù)算。表3列出了一臺PD可以提供的不同功率等級(PowerClasses),以及各自相應(yīng)的分級標(biāo)志(ClassificationSignatures)。
為實現(xiàn)可選的功率分級方法,PSE先施加一個14.5V至20.5V的探測電壓。PD發(fā)出一個標(biāo)志(分級電流)作為回應(yīng),該標(biāo)志向PSE指示PD可以消耗的zui大功率。這一信息使PSE交換機在任何時候都能管理提供給所連接PD的zui大功率。你可以通過選擇一個適當(dāng)?shù)腜SE控制器IC,實現(xiàn)另一個IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)以外的功能,即對PSE各個端口的輸出功率進(jìn)行硬件的限制。
除非網(wǎng)絡(luò)主管保證所有的PD都不會換成功耗更大的設(shè)備,否則有時交換機預(yù)計的功率預(yù)算會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。在這種情況下,PSE將拒絕為該端口供電,直到PD的功率分級符合要求為止。
另一個在突發(fā)情況下很靈活的功能就是,PSE可以決定哪個端口優(yōu)先接受電源,或者當(dāng)UPS或備用發(fā)電機快要耗盡能量時決定先斷掉哪個端口。這樣交換機就可以保持對zui重要端口的供電,如火警、出入證件閱讀機、某些監(jiān)控攝像頭以及接入點,或者其它數(shù)據(jù)電路。PSE控制器IC中帶有這種故障恢復(fù)功能——這可以通過硬件實現(xiàn)或軟件編程實現(xiàn)——有助于將緊急情況下的功率預(yù)算降到zui低程度。此時,應(yīng)找一個可軟件編程的PSE控制器IC。
對斷開連接PD的檢測
在PSE開始為一臺PD供電后,它必須監(jiān)控符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD“保持供電”(MaintainPower)標(biāo)志。PSE還必須檢測PD是否已經(jīng)斷開連接。標(biāo)準(zhǔn)定義了檢測PD斷線的交流和直流方法。例如,我們可以考慮這樣一種情況:一臺PD從交換機上拔下,馬上有一臺老式以太網(wǎng)設(shè)備插入同一個端口。如果在PD移走后48VDC電源沒有及時斷開,老式設(shè)備就可能損壞。
對一臺PD進(jìn)行交流阻抗測量一般要比純直流電阻的測量更準(zhǔn)確。一個小的共模交流電壓同數(shù)據(jù)信號和48VDC一起同時沿以太網(wǎng)鏈路傳遞下去。然后你就可以測量交流電流,并計算各端口的阻抗,該阻抗值應(yīng)小于26.25kΩ(在PD未拔出的情況下)。這個交流電壓的頻率必須在1MHz和100MHz之間。有關(guān)斷線檢測交、直流方法的更多細(xì)節(jié),設(shè)計者應(yīng)查閱IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)。無論采用哪種方法,測量與隨后中止供電的速度都要足夠快。
芯片中的*特性
在所有已面市的多端口PSE芯片中,zui常見的是可控制四端口線上電源的PSE控制器。可以尋找那些帶I2C兼容的串行接口,帶有可編程寄存器,便于配合MCU使用。多工作模式的優(yōu)勢對于緊急事件更顯重要。
舉例來說,Maxim的MAX5935提供自動、半自動、手動、關(guān)斷以及調(diào)試等運行模式。自動模式可以使器件在沒有軟件管理的情況下運行。半自動模式(根據(jù)請求)對連接到一個端口上的設(shè)備進(jìn)行不間斷的檢測與分級,但只在軟件的情況下才為該端口供電。手動模式在系統(tǒng)診斷時非常有用,可以通過軟件實現(xiàn)對設(shè)備*的控制。關(guān)斷模式終止所有的活動,切斷各端口的電源。zui后,調(diào)試模式可以通過設(shè)狀態(tài)機的精細(xì)步進(jìn),作詳細(xì)的系統(tǒng)診斷。
圖3,由于千兆PoE網(wǎng)絡(luò)連接使用所有四個線對來傳輸數(shù)據(jù),不能用中跨PSE方法來為PD供電。100BASE-TX和10BASE-T的回退模式照例可以用于數(shù)據(jù)傳輸。所以,在千兆以太網(wǎng)上運行的PD必須由一個端點PSE交換機供電。
圖3是PoE系統(tǒng)設(shè)計的一個實例,這個簡化的框圖演示了使用千兆以太網(wǎng)PSE與PD的連接。由于千兆以太網(wǎng)不能引入中跨式電源,所以100/10M以太網(wǎng)模式也只能連接到一個端點PSE交換機上(MAX5940PD接口控制器不需要二極管橋,但也可以在需要時帶二極管橋工作)。今天的PD接口控制器IC(如MAX5941和MAX5942)包括一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器,雖然PD一般都包括一個DC/DC變換器。