一文解析以太網(wǎng)供電基礎(chǔ)

根據(jù)美國國家消防協(xié)會(huì) （NFPA） 的統(tǒng)計(jì)，美國商業(yè)火災(zāi)的第三大原因是電氣和照明設(shè)備。典型的根本原因是布線陳舊或有缺陷、電路過載、連接松動(dòng)、保險(xiǎn)絲故障、電氣負(fù)載不平衡以及許多其他電氣或照明問題。這些可能導(dǎo)致過熱，從而產(chǎn)生最終點(diǎn)燃火災(zāi)的火花。

主電源通過三根絕緣銅線傳輸長距離和短距離交流電：火線、零線和地線。火線承載交流電勢差（120 VAC 或 230 VAC）。中性線完成電路并保持在或接近地電位或0V。地線是安全線，可在發(fā)生故障時(shí)將電路接地。簡而言之，與保險(xiǎn)絲和斷路器一起，主電源將其總銅（接地線）的 33% 用于安全。

圖 1：2.5 mm2 實(shí)心銅電源線的橫截面（左），旁邊是相同比例的實(shí)心銅 23 AWG CAT6 電纜（右）（來源：以太網(wǎng)聯(lián)盟）

以太網(wǎng)供電 （PoE） 通過供電設(shè)備 （PSE） 和受電設(shè)備 （PD） 之間的以太網(wǎng)電纜傳輸短距離（最長 100 米）直流電。根據(jù) PoE 標(biāo)準(zhǔn)，最多使用八根銅線來傳輸直流電源，包括返回路徑。簡而言之，PoE 沒有將任何銅線用于安全。在哲學(xué)和架構(gòu)上，PoE 標(biāo)準(zhǔn)將安全控制從銅（電源）轉(zhuǎn)移到硅。這里有兩個(gè)好處；硅比銅便宜得多，您可以對(duì)硅進(jìn)行編碼。你不能對(duì)銅進(jìn)行編碼。

2 對(duì)電源與 4 對(duì)電源

以太網(wǎng)使用具有八個(gè)觸點(diǎn)的 RJ45 連接器。它們分為四個(gè)差分 （diff） 對(duì)（圖 2）。在 10BASE-T （10 Mbps） 和 100BASE-TX （100 Mbps） 網(wǎng)絡(luò)中，四個(gè)可用的差分對(duì)中只有兩個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)，這兩個(gè)對(duì)未使用。在千兆以太網(wǎng) （1 Gbps） 網(wǎng)絡(luò)中，所有四個(gè) diff 對(duì)都用于數(shù)據(jù)傳輸。

利用現(xiàn)有的 10/100/1000 以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，IEEE 802.3af（現(xiàn)在稱為 PoE），提供 350 mA/對(duì)，最大 57 V 和 IEEE 802.3at，提供 600 mA/對(duì)，最大 57 V（稱為 PoE 1） 使用這些未使用的線對(duì)供電，實(shí)現(xiàn)兩種替代模式；備選方案 A 或 B：

A. 替代 A （PSE） 或模式 A （PD） 在差異上傳輸電源。第 2 對(duì)和第 3 對(duì)

B. 備選方案 B （PSE） 或模式 B （PD） 在 diff 上傳輸功率。第 1 對(duì)和第 4 對(duì)

同時(shí)，PoE 2 或 IEEE 802.3bt 通過使用所有四個(gè) diff 以 4 對(duì)電源運(yùn)行。對(duì)以 960 mA/對(duì)最大為 57。這在 PSE 處達(dá)到 90 瓦。

圖 2：2 對(duì)電源與 4 對(duì)電源

IEEE 802.3bt （90 W） 分類

以太網(wǎng)聯(lián)盟進(jìn)一步將這四種類型分為八個(gè)不同的類別，如圖 3 所示。對(duì)于供電設(shè)備 （PSE），每個(gè) PoE 2 類別 （5-8） 為 15 W 切片，而每個(gè) PoE 2 類別為 11 W受電設(shè)備 （PD） 的切片。類與類型的更精細(xì)切片優(yōu)化了多端口 PSE 的效率，為連接的 PD 提供各種電源，尤其是隨著連接的 PSE 端口數(shù)量的增加。

圖 3：IEEE 802.3bt 分類

IEEE 802.3af/at/bt 供電階段

PSE 和 PD 之間的 PoE 供電遵循五個(gè)不同的階段，如下圖和圖 4 所示。

第一階段：檢測

第二階段：分類

第三階段：啟動(dòng)

第 4 階段：運(yùn)營

階段 5：斷開連接

PSE 包含一個(gè)與返回電流路徑串聯(lián)的 Rsense 電阻器，用于測量 PD 執(zhí)行的任何電流吸收。PD 上還有一個(gè) 25k 下拉特征電阻，用于通知 PSE 檢測到。

圖 4：PoE 供電階段（來源：以太網(wǎng)聯(lián)盟）

階段 1. 檢測

當(dāng) PSE 和 PD 通過以太網(wǎng)電纜連接時(shí)，PD 向 PSE 提供一個(gè) 25 kΩ 下拉電阻（圖 4 右）。然后 PSE 在 500 毫秒窗口內(nèi)執(zhí)行兩次電流測量：

1） 強(qiáng)制 V 2.8 V，并測量 I

2） 強(qiáng)制 V 10 V，并測量 I

通過計(jì)算 ΔV / ΔI，如果 PSE 測量范圍為 19 KΩ 至 26.5 ΩK，則 PSE 可以接受檢測為有效。否則，PSE 必須拒絕檢測。執(zhí)行差分測量的好處是任何周圍的噪聲（干擾源）對(duì)于每個(gè)測量都是公共的，因此會(huì)被拒絕（共模抑制）。

階段 2. 分類

在分類階段，PD 向 PSE 宣布其請(qǐng)求的類簽名或功率要求。分類階段分為五個(gè)類事件或時(shí)隙，如圖 5 所示。

1） 類簽名 0：1 mA 至 4 mA

2） 類簽名 1：9 mA 至 12 mA

3） 類簽名 2：17 mA 至 20 mA

4） 類簽名 3：26 mA 至 30 mA

5） 類簽名 4：36 mA 至 44 mA

圖 5. PD 生成的類簽名

該圖捕獲了在每個(gè)類事件（列）期間需要哪個(gè)類簽名（行），以便識(shí)別 PD 類（1-8）。例如，7 類 PD 在類事件 1 期間提供 40 mA，在類事件 2 期間提供 40 mA，在類事件 3 到 5 期間提供 18 mA。PSE 在每個(gè)時(shí)間事件期間測量 PD 的灌電流以了解 PD 的類別。

PSE 負(fù)責(zé)強(qiáng)制施加下圖 6 中描述的電壓，而 PD 負(fù)責(zé)吸收多達(dá)五個(gè)不同的電流水平，稱為類簽名。

圖 6：類簽名和當(dāng)前級(jí)別

自動(dòng)分類

如圖 5 所示，類事件 1 比其他類事件長。這是 802.3bt 獨(dú)有的，而不是 802.3at 或 802.3af 的情況。如果 PD 也符合 802.3bt，則 PD 可以在 Class Event 1 的 81 毫秒內(nèi)更改為類簽名 0（1 到 4 mA），這會(huì)通知 802.3bt PSE PD 也是 802.3bt 并支持 Autoclass。

PD 開啟后，PD 提供最大功率約 1.2 秒。PSE 測量 PD 功率，增加一些余量，這成為 PSE 提供的新的優(yōu)化功率水平。

Autoclass 優(yōu)化 PSE 功率分配。例如，如果 PD 在運(yùn)行期間需要最大 65W 的功率，則 PD 會(huì)將自己標(biāo)識(shí)為 PSE 的第 8 類，以保證 PD 的 65W。如果沒有 Autoclass，PSE 將分配 90W，以確保 PD 獲得 65W。使用 Autoclass，PSE 可能僅讀取 66.5 W（短電纜長度），+ 1.75 W 余量 = 68.25 W 分配。節(jié)電為 21.75 W，或約 25%。盡管這看起來并不重要，但如果 PSE 交換機(jī)有 8 個(gè) 802.3bt 端口，Autoclass 可以優(yōu)化每個(gè)端口（具有各種電纜長度），從而可能節(jié)省數(shù)百瓦的總效率。

第三階段：啟動(dòng)

在啟動(dòng)階段，PSE 負(fù)責(zé)將 1 至 4 類的浪涌電流限制為 450 mA，將 5 至 8 類的浪涌電流限制為 900 mA。

在啟動(dòng)階段，PD 負(fù)責(zé)將 1 – 6 類的負(fù)載電流限制為 400 mA，將 7 – 8 類的負(fù)載電流限制為 800 mA。

階段 4-5：操作、斷開和 MPS

保持功率簽名 （MPS） 是一種?；罟δ?，其中 PD 從 PSE 接收周期性電流脈沖，以通知 PSE PD 尚未斷開連接。如果 PSE 在 400 毫秒后沒有收到來自 PD 的 MPS，則 PSE 必須斷開 PD 的電源。

IEE 802.3bt PD 應(yīng)用框圖

圖 7 描繪了受電設(shè)備 （PD） 的典型 802.3bt 應(yīng)用圖。從左到右，變壓器 AC 將以太網(wǎng) 10/100/1000 數(shù)據(jù)耦合到附近的處理器。全波整流由 GreenBridge? 2 完成，比傳統(tǒng)的硅二極管電橋消耗更少的功率。ON Semiconductor ?的 NCP1095（引腳 7）提供 25kΩ 檢測下拉電阻，而引腳 2 和 3 按類別（電阻值）確定 PD 的功率要求，在連接后的分類事件期間與 PSE 通信。引腳 6、8、9 和 10 通過外部 Rsense 和傳輸門共同控制浪涌和過流保護(hù) （OCP）。與配套處理器的三位通信在引腳 13、15 和 16 上完成。引腳 14 PGO 引腳在電源輸出良好時(shí)通知下游 DCDC 設(shè)備。引腳 4 允許 NCP1095 從本地輔助電源供電，而引腳 6 控制 Autoclass，這是 802.3bt 的新功能。

圖 7：802.3bt 應(yīng)用圖

ON Semiconductor 還提供集成了外部 FET 和 Rsense 的 NCP1096 控制器。

您可以對(duì)硅進(jìn)行編碼

保險(xiǎn)絲、斷路器和地線是用于防止電氣火災(zāi)的相對(duì)鈍器，尤其是與 IEEE 802.3bt 的特性相比時(shí)。它提供的電源配置功能，例如分類、自動(dòng)分類、浪涌和 MPS，都非常出色。例如，在使用市電時(shí)，隱藏在墻壁或天花板中的嚙齒動(dòng)物很容易在沒有任何警告的情況下引起電氣火災(zāi)。相反，如果 PD 沒有每 400 毫秒向 PSE 提供 MPS，則 PSE 會(huì)自動(dòng)斷開 PD 的電源。

人們可以很容易地想象編寫一個(gè) PSE 來捕獲計(jì)劃外的斷開連接，這會(huì)觸發(fā) IT 部門的早期警告標(biāo)志，從而有可能防止諸如建筑物火災(zāi)之類的災(zāi)難性事件。同時(shí)，Classification and Autoclass 智能地分配負(fù)載所需的確切功率。這是一種非常安全有效的配電方式。如前所述，硅比銅便宜很多，您可以對(duì)硅進(jìn)行編碼，但不能對(duì)銅進(jìn)行編碼。