摘要：IEEE 802.3af規范定義了一種允許通過以太網線纜輸送DC電源的方法。 首先簡要介紹以太網供電系統的構成，詳細介紹以太網供電設備及其功能。然后，闡述受電設備及其特性，給出一些可用的芯片供設計時參考。
關鍵詞：以太網供電 IEEE802.3af 供電設備 受電設備
引 言
1999年，通過以太網電纜提供電源已經不是什么新理念。在2003年6月IEEE最終批準了802.3af標準。該標準定義了一種允許通過以太網在傳輸數據的同時輸送DC電源的方法。它能安全、可靠地將以太網供電(PoE，Power over Ethernet)技術引入現有的網絡基礎設施中，并且和原有的網絡設備相兼容；它最大能提供大約13W的功率。這樣小型網絡設備就可通過以太網連接供電而無需使用墻上的AC電源插座，從而大大簡化了布線，降低了網絡基礎設施的建設成本。另外，通過UPS備份的局域網供電，還可以使網絡設備免受電網掉電的影響，像傳統電話那樣，在停電的時候仍然可以運轉。
1 PoE系統的構成
在PoE系統中，提供電源的設備被稱為供電設備PSE(Power Sourcing Equipment)，而使用電源的設備稱為受電設備PD(Powered Device)。PSE負責將電源注入以太網線，并實施功率的規劃和管理。可以采用兩種類型的PSE：一種為“Endpoint PSE”，另一種為“Mid-span PSE”。Endpoint PSE就是支持PoE的以太網交換機、路由器、集線器或其它網絡交換設備。mid-span PSE是用來將以太網供電功能添加到現有網絡的一種設備。它專門用于電源管理，并通常和交換機放在一起，和交換機一樣也有多路輸入輸出RJ-45端口，對應每路的兩個RJ-45插孔，一個用短線連接至不具有以太網供電功能的網絡交換設備，作為數據輸入口；而另一個連接到支持802.3af供電的遠端用電設備(PD)，作為數據/電源雙用的RJ-45輸出口。mid-span設備通常通過未使用的4/5和7/8線對來承載供電，剩下的部分預留給數據傳輸。電源在機箱內被注入網線而信號未作任何調整。PD則有多種形式，如IP電話機、網絡攝影機、無線橋接器、收銀機、安全存取與監測系統等。實際上，任何需要數據連接并能在13W或更低功率下工作的設備都可無需AC電源或電池供電，僅從RJ-45插座就能夠得到相應的電力。圖1給出了采用Mid-span的PoE系統工作示意。
2 供電設備PSE
PSE負責PoE系統的電源管理。它連續監視網絡上PD設備的連接狀況，并根據PD的功率要求，將適當的電力通過五類電纜中的信號線對(Endpoint PSE)或備用線對(Mid-span PSE)輸送到PD，并在PD下線時切斷電源。
Endpoint PSEs 支持10BASE-T、100BASE-TX 和1000BASE-T網絡。Endpoint的PoE系統中的PSE可以在信號線對之間或備用線對之間(但不是兩者同時)提供標稱48V的DC電源。其中在信號線對之間傳輸電力時，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，對于差分數據信號沒有影響，并且由于耦合變壓器的隔離，也不會對數據收發器產生影響。Mid-span PSEs只支持10BASE-T和100BASE-TX網絡，而對1000BASE-T網絡的支持802.3af標準目前還未定義。Mid-span PSE在備用線對之間提供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，并增加了系統成本。
在允許PSE向線路供電之前，它必須用一個有限功率的測試源來檢查特征電阻，以避免將48V電源加給非兼容PoE的網絡設備，對其造成危害。在加電之前，PSE首先用2.8V~10V的探測電壓去偵測是否有PD接入。具體實施時，是將2.8V~10V之間的兩個電壓(間隔在1V或以上)送到網絡鏈路，然后根據得到的兩個不同的電流值再作運算(ΔV/ΔI )。為了便于PSE識別，IEEE802.3af對于PD在偵測過程中的表現(特征)作了規定，如表1所列。
一旦偵測到有效的PD，PSE需要了解PD的用電量，便于系統對電源的管理。這個過程稱為PD分級(IEEE標準規定此過程是可選的)。這一階段，PSE利用一個 15.5V~20.5V的探測電壓來檢測PD的功率級別。通過從線上吸收一個恒定電流——分級特征信號，PD向PSE表明自己所需的最大功率。PSE測量這個電流，以確定PD屬于哪個功率級別。分級期間使用的PSE電壓源必須限制到100mA，以避免損壞失效的PD，而且它的連接時間不能超過75ms，以對PD功耗加以控制。表2列出了分級情況及其恒流特征。
成功偵測和分級后，PSE就可向PD供電了。供電期間，PSE還要對每個端口的供電情況進行監視，提供欠壓和過流保護。
PSE不能向非PD設備傳輸電力，同樣PSE也不能在PD已經斷開后還使電源處于接通狀態。因為供電電纜有可能會插在一個非PD設備上，或引起線纜的短接。IEEE802.3af標準規定了兩種方法讓PSE檢測PD是否斷開，即DC斷路檢測法和AC斷路檢測法。不同的芯片供應商根據系統的實際情況選擇了最適合他們系統的檢測方法。
DC斷路法根據從PSE流向PD的直流電流大小，判斷PD是否在線。當電流在給定時間tDIS (300ms~400ms) 內保持低于閾值IMIN (5mA~10mA )時，PSE就認為PD不存在，從而切斷電源。這種方法的缺點是，當PD工作在低功耗模式時，為避免掉線，PD必須周期性地從線上吸取一定的電流。AC斷路法是測量以太網端口的交流阻抗，當沒有設備連接到PSE時，端口應該是高阻抗，可能達到幾MΩ；而當接有PD時，端口的阻抗會小于26.5kΩ；如果PD消耗大量功率，那么阻抗通常會更低。端口阻抗(ZPORT)通過加電壓(VAC)和測量得到的電流(IAC)來決定，即ZPORT = VAC / IAC 。
目前已有多家半導體廠商提供了符合IEEE802.3af規格的PSE控制器。這些器件在降低系統成本、提供更高可靠性的同時，也加速了以太網供電的廣泛普及。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可以對四路以太網供電端口進行管理，具有自主運行(無需處理器干涉)情況下即可按序處理有任務的功能，對每路都可以單獨設置其工作模式(自動、半自動、手動、關閉)。
3 受電設備PD
首先，PD應能通過信號線或備用線接收電源，通常由二極管對兩個電源進行線“或”來實現，因為IEEE規格要求同時只能有一個線對傳輸電源；同時PD應該能不受電源極性的限制，這通常可以使用整流橋或其它方法來實現自動極性轉換。
當PSE用2.8V~10V之間的電壓偵測時，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PSE用15.5V~20.5V之間的電壓偵測時，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 能預算PD的功耗，同時也方便PSE對電源的管理。
探測和分級完成后，PD就會從PSE獲得一個44V~57V的電壓，這時PD要遵守幾條規定。在端電壓升到30V以前，不應該消耗太大的負載電流，以避免與分級特征信號互相干擾；當電壓達到42V時，必須處于完全工作狀態。工作狀態時PD端口電壓應該在36V~57V之間，而當PD的端口電壓跌落到30V~36V之間時，PD應該關斷端口。PD工作時不能連續消耗350mA電流或12.95W功率，短時內允許有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標準的要求，簡化設計任務，同樣幾大半導體廠商相繼推出了PD接口控制器。可用的接口控制器有德州儀器(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轉換的PWM控制器也集成在芯片中。利用它們可以實現非常緊湊且高性價比的PD供電電路。
結 語
IEEE802.3af標準對路由器、交換機和集線器通過以太網電纜向IP電話、安全系統以及無線LAN接入點等設備供電的方式進行了規定。隨著PoE的實施規模逐漸擴大，今后大量其它的應用可望涌現出來。值得關注的是，它有望推動芯片供應商為筆記本電腦和便攜式設備設計耗電量低于12.95W的芯片組，屆時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端口不能供電的時代。PowerDsine公司甚至預測今后五年內，企業網絡設備的75%以上將由以太網供電。
今后可以考慮將PSE電源管理芯片集成到RJ-45內，就如近幾年連接器供應商將網絡隔離變壓器集成到RJ-45內一樣。以太網供電技術同時也存在著一些問題，例如在PSE設備端口比較多的情況下，設備需要提供的電源功率會很大。這時系統的散熱應該引起足夠的重視，否則PSE設備將會是一個大熱源。這些都有待今后加以解決。
作者：重慶郵電學院 朱勇發 王平
摘自：單片機及嵌入式系統應用
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