以太網(wǎng)供電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及系統(tǒng)的介紹

通過(guò)在單根CAT 3或CAT 5電纜上組合電源和通信，與使用單獨(dú)系統(tǒng)的安裝相比，工程師可以快速，低成本地構(gòu)建低維護(hù)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。毫不奇怪，該技術(shù)已經(jīng)在電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）標(biāo)準(zhǔn)下得到迅速接受和正式化。被稱為“以太網(wǎng)供電”（PoE），該技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)單性以及只要有數(shù)據(jù)插座就可以使用電源的事實(shí)。

本文介紹了PoE和更高功率的PoE +，概述了標(biāo)準(zhǔn)，解釋了組件，有源器件，供電設(shè)備，“中跨”和“端點(diǎn)”以太網(wǎng)交換機(jī)和分離器，并描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。

PoE的早期版本PoE首先出現(xiàn)在為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音（VoIP）電話供電的問(wèn)題上。傳統(tǒng)電話直接從帶有語(yǔ)音呼叫的銅線上取電。然而，越來(lái)越流行的VoIP電話沒(méi)有連接到這些傳統(tǒng)電路，而是通過(guò)公司局域網(wǎng)（LAN）的以太網(wǎng)電纜進(jìn)行呼叫。以太網(wǎng)電纜沒(méi)有供電，因此必須通過(guò)適配器將VoIP電話插入主電源。這是一個(gè)不太優(yōu)雅的解決方案，如果建筑能力丟失，手機(jī)就會(huì)死機(jī)。

2000年，電信設(shè)備供應(yīng)商思科成為第一家通過(guò)引入專有技術(shù)來(lái)模仿傳統(tǒng)電話系統(tǒng)的公司，該技術(shù)允許以太網(wǎng)電纜承載48 VDC電源為VoIP電話供電（圖1）。然而，PoE在2001年和2002年確實(shí)獲得了動(dòng)力，因?yàn)槠渌圃焐?，特別是無(wú)線接入點(diǎn)制造商，利用了這項(xiàng)技術(shù)。

圖1：采用PoE的Cisco VoIP電話（由Cisco提供）。

該技術(shù)最終引起了IEEE的注意，IEEE早在1983年就負(fù)責(zé)制定“以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)”（IEEE 802.3）。該組織認(rèn)為創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)版本的PoE至關(guān)重要。制造商可以使他們的產(chǎn)品“準(zhǔn)備好PoE”。這項(xiàng)工作被分配給IEEE 802.3以太網(wǎng)委員會(huì)的一個(gè)工作小組委員會(huì)，命名為“802.3af”。到2003年6月，工作小組委員會(huì)批準(zhǔn)了IEEE 802.3af PoE標(biāo)準(zhǔn)。 2009年，第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3at被批準(zhǔn)，它定義了一種可以處理更多功率的類似技術(shù)。1

標(biāo)準(zhǔn)中定義了什么？

IEEE 802.3af詳細(xì)介紹了一種PoE技術(shù)，旨在為每個(gè)設(shè)備提供高達(dá)15.4 W的直流電源（最小44 VDC和350 mA）。（由于電纜損耗，保證只有12.95 W可用于要使用的設(shè)備。）

該技術(shù)使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RJ45連接器和CAT 5（甚至CAT 3）電纜，可以處理數(shù)十瓦。安裝以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信后，它還可用于電源，節(jié)省材料，人工，安裝時(shí)間和持續(xù)維護(hù)成本。

可以在以太網(wǎng)電纜的未使用導(dǎo)體上傳輸功率，因?yàn)榈湫偷?0到100 Mbps物理層只需要CAT 5布線中的四對(duì)中的兩對(duì)（此技術(shù)在下面稱為“備選B”） IEEE標(biāo)準(zhǔn)）。通過(guò)向每對(duì)施加共模電壓，也可以在電纜的數(shù)據(jù)導(dǎo)體上傳輸電力。由于以太網(wǎng)使用差分信令，因此不會(huì)干擾電纜的數(shù)據(jù)傳輸（標(biāo)準(zhǔn)中的“備選方案A”）。

IEEE 802.3af定義了兩種類型的PoE設(shè)備，即供電設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備（PD）。 PSE從其自身的傳統(tǒng)電源獲取電力，然后管理通過(guò)以太網(wǎng)電纜網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PD的電力，PD通過(guò)RJ45連接器獲取所需的電力，而無(wú)需內(nèi)置電源。 PoE能夠通過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米的典型以太網(wǎng)電纜為PD供電。 PD是諸如原始VoIP電話和無(wú)線接入點(diǎn)，安全攝像機(jī)，銷售點(diǎn)（POS）終端，溫度控制系統(tǒng)甚至機(jī)上娛樂(lè)系統(tǒng)之類的設(shè)備。

除了標(biāo)準(zhǔn)化備用對(duì)和共模數(shù)據(jù)對(duì)電力傳輸?shù)默F(xiàn)有做法外，IEEE PoE標(biāo)準(zhǔn)還提供PSE和PD之間的信令。該信令允許PSE檢測(cè)符合設(shè)備，避免損壞連接到網(wǎng)絡(luò)的非PoE設(shè)備。 PSE和PD‘協(xié)商’所需或可用的電量。為了檢測(cè)PD，PSE在導(dǎo)體上施加2.8到10V之間的DC電壓。然后，PSE通過(guò)測(cè)量回路電流來(lái)確定是否存在PD連接。 PD應(yīng)具有19至27kΩ的電阻負(fù)載，并且120 nF或更小的并聯(lián)電容作為特征。圖2顯示了為PD供電的PSE的示意圖。

圖2：典型的PoE應(yīng)用（由德州儀器公司提供）。

增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)

雖然PoE可以為PD提供大約13 W的功率，但某些設(shè)備可以從更多功率中受益（例如，具有搖攝，傾斜和變焦（PTZ）功能的攝像機(jī)）。為滿足這些產(chǎn)品的需要，2009年推出了第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3at。該技術(shù)也被稱為“PoE +”，該技術(shù)可為PD提供高達(dá)25.5 W的DC。 PSE提供50至57 VDC，而PoE為44至57 VDC。與早期技術(shù)的350 mA相比，PoE +的電流增加到600 mA。

PoE +僅使用CAT 5電纜（有8條內(nèi)部電線，與CAT 3的4條電線相比），這樣可以降低阻抗的可能性并降低功耗。此外，PoE +還為網(wǎng)絡(luò)管理員提供了更強(qiáng)大的功能，例如提供新的遠(yuǎn)程電源診斷，狀態(tài)報(bào)告和PD電源管理（包括嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程電源循環(huán)）。

最后，PoE +提供動(dòng)態(tài)功率分配，優(yōu)化的功率分配和良好的電源利用率，從而提高系統(tǒng)效率并降低成本。表1比較了PoE和PoE +。

屬性IEEE 802.3af IEEE 802.3at類型2可用功率PD 12.95 W 25.50 W PSE提供的最大功率15.40 W 34.20 W電壓范圍（PSE時(shí)）44.0-57.0 V 50.0-57.0 V電壓范圍（PD）37.0 -57.0 V 42.5-57.0 V最大電流350 mA 600 mA電源管理三種功率等級(jí)四種功率等級(jí)支持布線類別3和類別5類別5及以上支持的模式備選A和B備選A和B

表1： PoE與PoE +的比較。

Endspans和中跨設(shè)備PSE可以實(shí)現(xiàn)為端到端（支持以太網(wǎng)PoE的交換機(jī)）或中跨設(shè)備（與網(wǎng)絡(luò)上已有的無(wú)源以太網(wǎng)交換機(jī)配合使用的電源集線器）。 PD可以從終端或中跨接收同樣好的功率。

Endspans直接向設(shè)備供電。根據(jù)規(guī)范，端到端可以使用電纜中的備用對(duì)或數(shù)據(jù)對(duì)，也可以用于千兆以太網(wǎng)傳輸。 Endspans需要支持PoE的交換機(jī)，因此，往往需要為需要新設(shè)備的新安裝指定。

Midspans使用中間供電的配線架或“注入器”，放置在現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機(jī)和PD之間。中跨通常位于交換機(jī)附近，然后被認(rèn)為是PSE，允許電纜不受遠(yuǎn)程設(shè)備的影響而運(yùn)行。該規(guī)范允許中跨只使用電纜中的備用對(duì);因此，它們不能用于通過(guò)千兆以太網(wǎng)連接等數(shù)據(jù)線發(fā)送電力。

有一系列中跨注入器可供添加到傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。萊爾德科技為此應(yīng)用提供POE-48I電源。電源在輸入側(cè)自動(dòng)調(diào)節(jié)，并具有穩(wěn)壓輸出。該設(shè)備可與任何符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配合使用。 POE-48I具有單個(gè)端口，可在500 mA下提供48 V電壓，最高可達(dá)24 W.

Microsemi模擬混合信號(hào)組提供符合更高功率IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)的單端口中跨注入器， PowerDsine 9001GR。 9001GR可在55 V時(shí)產(chǎn)生高達(dá)30 W的功率，可為包括PTZ攝像機(jī)和可視電話在內(nèi)的全新應(yīng)用提供遠(yuǎn)程供電。該設(shè)備向后兼容IEEE802.3af，可為現(xiàn)有的10/100Base-T網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和新興的無(wú)線1000Base-T設(shè)備（如WiMAX和IEEE 802.11n無(wú)線接入點(diǎn)）供電。圖3說(shuō)明了典型應(yīng)用。

圖3：PowerDsine 9001GR中跨以太網(wǎng)交換機(jī)的應(yīng)用原理圖。

許多多端口中跨也可用。 Phihong提供8，16和24端口的中跨設(shè)備。 POE370U是符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的24端口中跨注入器。每個(gè)端口提供15.4 W無(wú)需額外電源管理。該裝置提供檢測(cè)，斷開和過(guò)載保護(hù)，并可配備1U機(jī)架安裝套件。

中跨供應(yīng)商也可以提供‘分離器’。這些設(shè)備使用PoE輸入，分為兩個(gè)輸出：數(shù)據(jù)和電源?？梢允褂酶Ｒ?guī)的方式（例如DC電纜）將電力重定向到終端設(shè)備中。分路器充當(dāng)兼容PSE和不兼容PD之間的中間設(shè)備。

萊爾德科技提供POE-12S-AFI有源PoE分配器，可接受來(lái)自任何IEEE 802.3af路由器或電源的PoE電源。該裝置具有過(guò)載和短路保護(hù)功能，可在檢測(cè)到短路時(shí)立即關(guān)閉電源，而不會(huì)損壞PoE系統(tǒng)。

在端點(diǎn)或中跨PoE網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行選擇

Endspans在實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行時(shí)只需要使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的PD，但是有一些很好的理由可以選擇這種技術(shù)。例如，工程師傾向于選擇端點(diǎn)交換機(jī)，如果它們正在替換所有舊交換機(jī)，或者安裝是新的。

使用endpans的另一個(gè)原因是為了避免將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換機(jī)連接到中跨PoE集線器所涉及的不整齊和不方便的額外跳線以及額外的工作。此外，兩個(gè)設(shè)備而不是一個(gè)設(shè)備使?jié)撛诘墓收宵c(diǎn)數(shù)增加一倍，并使管理員的生活變得更加復(fù)雜，這些管理員在堅(jiān)持為網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備提供單獨(dú)IP地址的公司中工作。

選擇端跨開關(guān)的工程師應(yīng)注意，許多端點(diǎn)單元最多只能提供200 W，因此24端口交換機(jī)每個(gè)端口最多只能提供8.3 W，低于最大功率15.4 W。 PoE標(biāo)準(zhǔn)。具有相對(duì)較新的以太網(wǎng)交換機(jī)的工程師已經(jīng)采用中跨交換機(jī)，因?yàn)楦鼡Q交換機(jī)以獲得PoE功能將是昂貴的。但是，工程師必須確保交換機(jī)制造商很高興網(wǎng)絡(luò)支持中跨產(chǎn)品，并且有足夠的空間來(lái)容納它們。從電氣角度來(lái)看，如果網(wǎng)絡(luò)工程師希望為特定PD使用24，12和5 V等非標(biāo)準(zhǔn)電壓，并且希望最大限度地提高每個(gè)端口的可用功率，那么中跨交換機(jī)是首選。對(duì)于包含許多具有自己的電源以及PoE設(shè)備的傳統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，中跨交換機(jī)也是一種有用的選擇。

與跨端交換機(jī)相比，中跨交換機(jī)往往具有更長(zhǎng)的保修期（兩年與一個(gè)交換機(jī)相比），并且可以與標(biāo)準(zhǔn)和專有應(yīng)用程序一起使用。

圖4顯示了使用端點(diǎn)和中跨交換機(jī)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)。

圖4：使用端點(diǎn)和中跨交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)示意圖。傳統(tǒng)上，PSE將分立電路分為電源，以太網(wǎng)和電源之間的通信接口。然而，為了使實(shí)施更加容易，芯片供應(yīng)商推出了一系列集成的PSE控制器，以優(yōu)化PoE +安裝的操作。

這些控制器通過(guò)將接口電路與線性穩(wěn)壓器或開關(guān)電源相結(jié)合，將電源電壓轉(zhuǎn)換為適用于以太網(wǎng)電纜的50至57 VDC，從而降低PoE和PoE +設(shè)備所需的外部組件的復(fù)雜性和數(shù)量。 （有關(guān)這些組件的更多信息，請(qǐng)參閱TechZone文章“以太網(wǎng)供電以滿足更高的需求”）。

接下來(lái)是PoE ++嗎？

自本世紀(jì)初開發(fā)以來(lái)，PoE（以及最近的PoE +）已成為一種特別適用于商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的流行技術(shù)。今天的主要市場(chǎng)力量是連接IP安全攝像頭和無(wú)線接入點(diǎn)的要求，但其他制造商正在引入穩(wěn)定的PD流，利用PoE和PoE +，如傳感器，探測(cè)器，安全訪問(wèn)設(shè)備，顯示器和人機(jī)器接口（HMI）。

該技術(shù)實(shí)施起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，特別是對(duì)于新安裝，中跨交換機(jī)的引入緩解了將PoE添加到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。 PoE +的引入增加了PD的可用功率，導(dǎo)致引入了使用舊技術(shù)操作過(guò)于貪婪的新應(yīng)用。

盡管如此，PoE技術(shù)仍在不斷發(fā)展，因?yàn)楣こ處焸儫嶂杂谔砑有枰蠊β实男翽D;已經(jīng)有專有的PoE系統(tǒng)，可提供高達(dá)60W的功率。這些技術(shù)不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，不能互操作，這可能對(duì)不兼容的硬件有害，但它們開創(chuàng)了一個(gè)更高的先例 - 要開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的電源版本。