Power Over Ethernet

POE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作做何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。

POE也被称为基于局域网的供电系统(POL, Power over LAN )或有源以太网( Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。

IEEE在1999年开始制定该标准，最早参与的厂商有3Com, Intel, PowerDsine, Nortel, Mitel和National Semiconductor。但是，该标准的缺点一直制约着市场的扩大。直到2003年6月，IEEE批准了802. 3af标准，它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接入点等设备供电的方式进行了规定。IEEE 802.3af的发展包含了许多公司专家的努力，这也使得该标准可以在各方面得到检验。

一个典型的以太网供电系统。在配线柜里保留以太网交换机设备，用一个带电源供电集线器(Midspan HUB)给局域网的双绞线提供电源。在双绞线的末端，该电源用来驱动电话、无线接入点、相机和其他设备。为避免断电，可以选用一个UPS。

POE的系统构成及供电特性参数

一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE, Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD,  Power Device)两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备,同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载,即POE系统的客户端设备,如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑( PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备（实际上,任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系,并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。

POE标准供电系统的主要供电特性参数为：
1.        电压在44～57V之间,典型值为48V。
2.        允许最大电流为550mA,最大启动电流为500mA。
3.        典型工作电流为10～350mA,超载检测电流为350～500mA。
4.        在空载条件下,最大需要电流为5mA。
5.        为PD设备提供3.84～12.95W五个等级的电功率请求,最大不超过13W。
2.        POE供电的工作过程

当在一个网络中布置 PSE供电端设备时,POE以太网供电工作过程如下所示。
1.        检测：一开始,PSE设备在端口输出很小的电压,直到其检测到线缆终端的连接为一个支持IEEE 802.3af标准的受电端设备。
2.        PD端设备分类：当检测到受电端设备PD之后,PSE设备可能会为PD设备进行分类,并且评估此PD设备所需的功率损耗。
3.        开始供电：在一个可配置时间(一般小于15μs)的启动期内,PSE设备开始从低电压向PD设备供电,直至提供48V的直流电源。
4.        供电：为PD设备提供稳定可靠48V的直流电,满足PD设备不越过  15.4W的功率消耗。
5.        断电：若PD设备从网络上断开时,PSE就会快速地(一般在300～400ms之内)停止为PD设备供电,并重复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。

3.        POE通过电缆供电的原理

标准的五类网线有四对双绞线,但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。IEEE80 2.3af允许两种用法,应用空闲脚供电时,4、5脚连接为正极,7、8脚连接为负极。
应用数据脚供电时,将DC电源加在传输变压器的中点,不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。
标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法,但是电源应用设备PD必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是48V、13W的。PD设备提供48V到低电压的转换是较容易的,但同时应有1500V的绝缘安全电压。

POE的两种供电方法

POE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两种方法：一种称作“中间跨接法”( Mid -Span ),使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电,相应的Endpoint PSE支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。另一种方法是“末端跨接法”(End-Span),是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电,其输电采用与以太网数据信号不同的频率。Midspan PSE是一个专门的电源管理设备,通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔,一个用短线连接至交换机,另一个连接远端设备。可以预见,End-Span会迅速得到推广,这是由于以太网数据与输电采用公用线对,因而省去了需要设置独立输电的专用线,这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。

发展：以太网供电芯片厂商PowerDsine将召开一个IEEE会议，正式提交“大功率以太网供电”标准，该标准将支持为笔记本电脑等设备供电。PowerDsine将提交一份白皮书，建议把802.3af标准的48v输入、13w的可用功率极限提高1倍。除笔记本电脑外，新标准还有可能为液晶显示器和视频电话等供电。

标准以外的高功率 PoE 解决方案
引言 IEEE 802.3af 以太网供电 (PoE) 标准于 2003 年 6 月批准通过。此后，诸如 IP 电话与无线 LAN 接入点等众多应用纷纷开始遵从这一最新标准。PoE 市场中新推出了用于以太网线缆两端的几种 PoE 电源控制器。例如，TPS2383A 是符合 IEEE 802.3af 标准的控制器，用于线缆的供电设备 (PSE) 端，而 TPS2375 则是 IEEE 802.3af 用电设备 (PD) 控制器，用于线缆的下行端。上述控制器不仅简化了 PoE 设计，而且还使之更为可靠，并符合标准。采用 PoE 之后，越来越多的终端设备都设计为可以直接从以太网线缆/RJ-45 连接器获得电力。但是，IEEE 802.3af 标准限制 PSE 可提供的功率为 15.4W，而用于 PD 的功率为 12.95W。如果应用要求的功率大于 IEEE 802.3af 标准允许的量，则设计人员就要以创造性方法推出标准以外的解决方案。幸运的是，目前市场中提供的器件可用于上述类型的设计。我们应当记住，这些解决方案要求 PSE 提供更高的功率，但范围仍保持在以太网线缆和 RJ-45 连接器的最大安全工作电流之内。 高功率用电设备 就符合 IEEE 802.3af 标准的 PD 而言，所采用的最大 DC 电流为 350mA，限流为 450mA。为了从 PSE 获得更高的功率，我们可用热插拔控制器实施标准以外的高功率 PD。我们可采用如图 1 所示的 TPS2490 实施此类解决方案。工作电流与限流都由电流感应电阻器和所选的外部MOSFET 进行外部设置。感应电阻器RS设置最大DC限流，且应用应选择外部MOSFET。此外，通过选择电阻分压器 RPROG1 和 RPROG2 来对功率限制特性进行编程，TPS2490 还可用于保护外部MOSFET（见 TPS2490 数据手册）。正如我们所指出的那样，就其从线缆所获得的功率量以及被检测为有效 PD 的情况来看，该解决方案是超出标准之外的。

图 1. 带有标准以外 UVLO 的高功率 PD

如果我们需要 IEEE 802.3af 标准所定义的有效 PD，那么与 RUV1 及 RUV2并联的等效电阻 RDET 就可被设为约等于 24.9Kohms。这就能够满足标准定义的有效 PD 检测电阻要求了。我们还应注意，选择 RUV1 和 RUV2 时应满足所需的通电阈值（见 TPS2490 数据手册）。 为了实现符合IEEE 802.3af标准的打开和关闭输入阈值电压，我们还要添加额外的电路，如图 2所示。该电路还可用于编程打开和关闭阈值，通过调节 RUV1、RUV2 以及 RUV3 的电阻值来达到所需范围。RUV1 和 RUV2 间的分压决定了打开上升阈值电压，而 RUV1||RUV3 与 RUV2 间的分压则决定了输入的关闭阈值电压。

图2. 高功率 PD，带有符合 IEEE 802.3af 标准的 UVLO（39.4V 上升，30.6V下降）

就图 1 与图 2 所示的两个 PD 而言，FET 应为一个 N 通道 MOSFET，带有 100V 的漏极额定电压。它还应具备 20V 的闸极额定电压以及 2A 或更高的漏极额定电流。为了通过 PD 前级 (front stage) 获得更高功率，应选择 RS 的电阻值，这样限流就比最大负载电流高出约 20%。举例来说，如 PD 最大负载（DC/DC 转换器）为 22W（或最小输入电压 44V 上的最大等效负载电流为0.5A），则限流可设为 0.6A，这就需要把 RS 设为约 83mW。 图 1 和图 2 所示的解决方案都带有高侧开关。众多应用并不关心使用高侧还是低侧开关，但有些PD 却更希望使用低侧开关。为了配置低侧开关 PD，需要一个低侧 MOSFET 驱动器。图 3 显示了采用 TPS2399 的解决方案。TPS2399 是一个额定为 100V 的电流斜波热插拔控制器，其正好适用于超出标准以外的低侧开关 PD 控制器。

图 3. 带有低侧开关的高功率 PD

这种设计与图 1 所示几乎相同，但可采用不同的控制器来处理低侧开关。由于 TPS2399 控制器有着不同的限流感应阈值，因此感应电阻必须不同，这才能达到与图 1 所示相同的限流。遵循前面的例子，限流应设为 0.6A。就图 3 所示的应用而言，感应电阻 RS 应大约为 67mW，而非　83mW。 假定图 1 和图 3 所示 RDET、RUV1 以及 RUV2 的等效输入电阻约 25kW，则以上所有三个解决方案都应将 PD 设置为 0 类，这就可实现从各自的 PSE 获得最大功率。 高功率电源设备 根据设计，即便是 PD 可用于获得更高功率，其也有可能无法得到所需功率，因为符合 IEEE 802.3af 标准的 PSE 也有功率限制。如图 4 所示，采用TPS2383而又符合标准的 PSE 所允许的线缆最大持续电流仅为 0.35A（或功率为 15.4W，限流为 0.4A），因为电流感应电阻为 0.5W（与 IRFD110 串联）。允许从源极获得更高功率的简单方法就是降低感应电阻值，这样限流就会变高。举例说来，如果要求从 PSE 获得 19.25W 的功率（而不是从符合标准的 PSE 获得15.4W），则只需将感应电阻器的电阻值降低至 0.4W，这就可向 PSE 输出上的 RJ-45 连接器提供0.4375A的持续DC电流（限流 0.5A）。

图4. PSE解决方案（显示了符合标准的 PSE）

以上解决方案符合除额定功率 （或额定电流）以外的所有 PoE 标准。当然，如果 IEEE 802.3af兼容性对应用不重要，那么我们也可将其他通用热插拔控制器用于 PSE。 结论 PSE 向以太网线缆提供比 IEEE 802.3af 标准规定的更高功率是可能的，PD 通过适当 PSE 与 PD设计调整从线缆获得更高功率也是有可能的。 参考书目 1. TPS2375、TPS2376、TPS2377、IEEE 802.3af PoE 用电器件控制器，数据手册(SLVS525)，德州仪器；
2. TPS2490、TPS2491 正极高压功率限制热插拔控制器，数据手册 (SLVS503)，德州仪器；
3. TPS2398、TPS2399 -48-V 用于冗余电源系统的热插拔控制器，数据手册 (SLUS562A)，德州仪器； TPS2383A 八通道电源设备功率管理器，数据表 (SLUS559A)，德州仪器。