以太網(wǎng)供電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)綜述

摘要：IEEE 802.3af規(guī)范定義了一種允許通過以太網(wǎng)線纜輸送DC電源的方法。首先簡(jiǎn)要介紹以太網(wǎng)供電系統(tǒng)的構(gòu)成，詳細(xì)介紹以太網(wǎng)供電設(shè)備及其功能。然后，闡述受電設(shè)備及其特性，給出一些可用的芯片供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

　　關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)供電 IEEE802.3af 供電設(shè)備 受電設(shè)備


引 言

　　1999年，通過以太網(wǎng)電纜提供電源已經(jīng)不是什么新理念。在2003年6月IEEE最終批準(zhǔn)了802.3af標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種允許通過以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)輸送DC電源的方法。它能安全、可靠地將以太網(wǎng)供電(PoE，Power over Ethernet)技術(shù)引入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，并且和原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相兼容；它最大能提供大約13W的功率。這樣小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可通過以太網(wǎng)連接供電而無需使用墻上的AC電源插座，從而大大簡(jiǎn)化了布線，降低了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本。另外，通過UPS備份的局域網(wǎng)供電，還可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備免受電網(wǎng)掉電的影響，像傳統(tǒng)電話那樣，在停電的時(shí)候仍然可以運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 PoE系統(tǒng)的構(gòu)成

　　在PoE系統(tǒng)中，提供電源的設(shè)備被稱為供電設(shè)備PSE(Power Sourcing Equipment)，而使用電源的設(shè)備稱為受電設(shè)備PD(Powered Device)。PSE負(fù)責(zé)將電源注入以太網(wǎng)線，并實(shí)施功率的規(guī)劃和管理?？梢圆捎脙煞N類型的PSE：一種為“Endpoint PSE”，另一種為“Mid-span PSE”。Endpoint PSE就是支持PoE的以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、集線器或其它網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。mid-span PSE是用來將以太網(wǎng)供電功能添加到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。它專門用于電源管理，并通常和交換機(jī)放在一起，和交換機(jī)一樣也有多路輸入輸出RJ-45端口，對(duì)應(yīng)每路的兩個(gè)RJ-45插孔，一個(gè)用短線連接至不具有以太網(wǎng)供電功能的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，作為數(shù)據(jù)輸入口；而另一個(gè)連接到支持802.3af供電的遠(yuǎn)端用電設(shè)備(PD)，作為數(shù)據(jù)/電源雙用的RJ-45輸出口。mid-span設(shè)備通常通過未使用的4/5和7/8線對(duì)來承載供電，剩下的部分預(yù)留給數(shù)據(jù)傳輸。電源在機(jī)箱內(nèi)被注入網(wǎng)線而信號(hào)未作任何調(diào)整。PD則有多種形式，如IP電話機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)、無線橋接器、收銀機(jī)、安全存取與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。實(shí)際上，任何需要數(shù)據(jù)連接并能在13W或更低功率下工作的設(shè)備都可無需AC電源或電池供電，僅從RJ-45插座就能夠得到相應(yīng)的電力。圖1給出了采用Mid-span的PoE系統(tǒng)工作示意。


　　　　　　
2 供電設(shè)備PSE

　　PSE負(fù)責(zé)PoE系統(tǒng)的電源管理。它連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)上PD設(shè)備的連接狀況，并根據(jù)PD的功率要求，將適當(dāng)?shù)碾娏νㄟ^五類電纜中的信號(hào)線對(duì)(Endpoint PSE)或備用線對(duì)(Mid-span PSE)輸送到PD，并在PD下線時(shí)切斷電源。

　　Endpoint PSEs 支持10BASE-T、100BASE-TX 和1000BASE-T網(wǎng)絡(luò)。Endpoint的PoE系統(tǒng)中的PSE可以在信號(hào)線對(duì)之間或備用線對(duì)之間(但不是兩者同時(shí))提供標(biāo)稱48V的DC電源。其中在信號(hào)線對(duì)之間傳輸電力時(shí)，48V電源通過向耦合變壓器的中間抽頭供電以共模方式施加在雙絞線上，如圖2所示，對(duì)于差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)沒有影響，并且由于耦合變壓器的隔離，也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)器產(chǎn)生影響。Mid-span PSEs只支持10BASE-T和100BASE-TX網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)1000BASE-T網(wǎng)絡(luò)的支持802.3af標(biāo)準(zhǔn)目前還未定義。Mid-span PSE在備用線對(duì)之間提供48V的DC電源。Mid-span PSE較Endpoint PSE需要額外的線纜，占用了更多的空間，并增加了系統(tǒng)成本。


　　
　　在允許PSE向線路供電之前，它必須用一個(gè)有限功率的測(cè)試源來檢查特征電阻，以避免將48V電源加給非兼容PoE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)其造成危害。在加電之前，PSE首先用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)不同的電流值再作運(yùn)算(ΔV/ΔI )。為了便于PSE識(shí)別，IEEE802.3af對(duì)于PD在偵測(cè)過程中的表現(xiàn)(特征)作了規(guī)定，如表1所列。


　　　　　　　　
　　一旦偵測(cè)到有效的PD，PSE需要了解PD的用電量，便于系統(tǒng)對(duì)電源的管理。這個(gè)過程稱為PD分級(jí)(IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此過程是可選的)。這一階段，PSE利用一個(gè) 15.5V~20.5V的探測(cè)電壓來檢測(cè)PD的功率級(jí)別。通過從線上吸收一個(gè)恒定電流——分級(jí)特征信號(hào)，PD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PSE電壓源必須限制到100mA，以避免損壞失效的PD，而且它的連接時(shí)間不能超過75ms，以對(duì)PD功耗加以控制。表2列出了分級(jí)情況及其恒流特征。


　　　　　　　　
　　成功偵測(cè)和分級(jí)后，PSE就可向PD供電了。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，提供欠壓和過流保護(hù)。

　　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，或引起線纜的短接。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種方法讓PSE檢測(cè)PD是否斷開，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)際情況選擇了最適合他們系統(tǒng)的檢測(cè)方法。

　　DC斷路法根據(jù)從PSE流向PD的直流電流大小，判斷PD是否在線。當(dāng)電流在給定時(shí)間tDIS (300ms~400ms) 內(nèi)保持低于閾值IMIN (5mA~10mA )時(shí)，PSE就認(rèn)為PD不存在，從而切斷電源。這種方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)PD工作在低功耗模式時(shí)，為避免掉線，PD必須周期性地從線上吸取一定的電流。AC斷路法是測(cè)量以太網(wǎng)端口的交流阻抗，當(dāng)沒有設(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。端口阻抗(ZPORT)通過加電壓(VAC)和測(cè)量得到的電流(IAC)來決定，即ZPORT = VAC / IAC 。

　　目前已有多家半導(dǎo)體廠商提供了符合IEEE802.3af規(guī)格的PSE控制器。這些器件在降低系統(tǒng)成本、提供更高可靠性的同時(shí)，也加速了以太網(wǎng)供電的廣泛普及。這些控制器為凌特公司(Linear)的LTC4258/59、德州儀器(TI)的TPS2383、以色列PowerDsine公司的 PD64008、美信公司(Maxim)的MAX5922A/B/C及即將上市的MAX5935。其中Linear的LTC4258/59可以對(duì)四路以太網(wǎng)供電端口進(jìn)行管理，具有自主運(yùn)行(無需處理器干涉)情況下即可按序處理有任務(wù)的功能，對(duì)每路都可以單獨(dú)設(shè)置其工作模式(自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、關(guān)閉)。

3 受電設(shè)備PD

　　首先，PD應(yīng)能通過信號(hào)線或備用線接收電源，通常由二極管對(duì)兩個(gè)電源進(jìn)行線“或”來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镮EEE規(guī)格要求同時(shí)只能有一個(gè)線對(duì)傳輸電源；同時(shí)PD應(yīng)該能不受電源極性的限制，這通?？梢允褂谜鳂蚧蚱渌椒▉韺?shí)現(xiàn)自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換。

　　當(dāng)PSE用2.8V~10V之間的電壓偵測(cè)時(shí)，PD必須具有表1所列的輸入特性。PD的輸入端口可具有高達(dá)1.9V的偏移電壓(以容許二極管的壓降)和10μA的偏移電流(漏電流)。

　　當(dāng)PSE用15.5V~20.5V之間的電壓偵測(cè)時(shí)，PD需要通過吸收一定的恒流來表明自己所需要消耗的功率(可選)，所以 PSE 能預(yù)算PD的功耗，同時(shí)也方便PSE對(duì)電源的管理。

　　探測(cè)和分級(jí)完成后，PD就會(huì)從PSE獲得一個(gè)44V~57V的電壓，這時(shí)PD要遵守幾條規(guī)定。在端電壓升到30V以前，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；當(dāng)電壓達(dá)到42V時(shí)，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36V~57V之間，而當(dāng)PD的端口電壓跌落到30V~36V之間時(shí)，PD應(yīng)該關(guān)斷端口。PD工作時(shí)不能連續(xù)消耗350mA電流或12.95W功率，短時(shí)內(nèi)允許有400mA的浪涌電流。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；如果輸入電容大于180μF，PD就要主動(dòng)限制浪涌電流，使它低于400mA。最后，PD至少要保持10mA的電流且交流阻抗要維持在26.25kΩ或更少，以避免掉線。

　　為了使PD符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的要求，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)，同樣幾大半導(dǎo)體廠商相繼推出了PD接口控制器?？捎玫慕涌诳刂破饔械轮輧x器(TI)的TPS2370/TPS2371/TPS2375，凌特公司(Linear)的LTC4257/ LTC4257-1，美信公司(Maxim)的MAX5940A/MAX5940B、MAX5941A/B、MAX5942A/B，Supertex公司的HV110K4以及Power Integrations公司的DPA423G。其中Maxim的MAX5941A/B、MAX5942A/B和Power Integrations的DPA423G將用于DC/DC轉(zhuǎn)換的PWM控制器也集成在芯片中。利用它們可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊且高性價(jià)比的PD供電電路。

結(jié) 語

　　IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)路由器、交換機(jī)和集線器通過以太網(wǎng)電纜向IP電話、安全系統(tǒng)以及無線LAN接入點(diǎn)等設(shè)備供電的方式進(jìn)行了規(guī)定。隨著PoE的實(shí)施規(guī)模逐漸擴(kuò)大，今后大量其它的應(yīng)用可望涌現(xiàn)出來。值得關(guān)注的是，它有望推動(dòng)芯片供應(yīng)商為筆記本電腦和便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)耗電量低于12.95W的芯片組，屆時(shí)RJ-45插口將成為一種通用電源插口，若干年后人們甚至將不記得有過以太網(wǎng)端口不能供電的時(shí)代。PowerDsine公司甚至預(yù)測(cè)今后五年內(nèi)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的75%以上將由以太網(wǎng)供電。

　　今后可以考慮將PSE電源管理芯片集成到RJ-45內(nèi)，就如近幾年連接器供應(yīng)商將網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器集成到RJ-45內(nèi)一樣。以太網(wǎng)供電技術(shù)同時(shí)也存在著一些問題，例如在PSE設(shè)備端口比較多的情況下，設(shè)備需要提供的電源功率會(huì)很大。這時(shí)系統(tǒng)的散熱應(yīng)該引起足夠的重視，否則PSE設(shè)備將會(huì)是一個(gè)大熱源。這些都有待今后加以解決。