對以太網供電（PoE）技術的研究

胡 云（重慶電子工程職業學院計算機應用系，重慶 401331）

0 引 言

無線電話及網絡攝像頭等終端設備通常數量眾多,安裝位置特殊,為其供電相對困難，其實施部署需要增加供電及安裝成本。如采用以太網供電(Power over Ethernet，PoE) 這項創新的技術，通過CAT 5/5e/6類非屏蔽雙絞線，對網絡終端設備既傳輸數據又提供直流供電，將極大地減少部署終端設備的電源和管理成本。PoE不僅對于那些需要用電、但電源并不方便獲取的設備特別有幫助，而且一般的終端設備也可以從這項技術中獲益。

1 PoE系統的組成

IEEE（美國電氣電子工程師協會）于2003年6月批準了PoE標準－IEEE 802.3af，該標準規范了PoE技術[1]。在PoE系統中，提供電源的設備被稱為供電設備(Power Sourcing Equipment，PSE)，而使用電源的設備稱為受電設備(Powered Device，PD)。從PSE到PD的供電是利用5/5e/ 6類非屏蔽雙絞線電纜，有A和B兩種模式。模式A采用雙絞線電纜中的1、2、3、6四根數據線(1、2線為發送數據線，3、6線為接收數據線)傳輸供電，模式B則采用雙絞線電纜中的4、5、7、8四根空閑線來傳輸供電。

PoE主要應用在為IP電話機、無線局域網接入點（AP）、網絡攝像機、網絡圖像采集設備以及其他一些基于IP的終端傳輸數據信號設備的供電。通常，一個IP電話機的功耗約3～5W，一個無線局域網接入點（AP）的功耗約6～12W。一個網絡攝像機的功耗約10～12W。圖1是以太網供電的示意圖。

圖1 以太網供電示意圖

2 兩種類型的PSE

PoE有兩種類型的PSE，一種為端接式PSE(Endpoint PSE)，另一種為中跨式PSE (Mid-span PSE)。

（1）端接式PSE

端接式PSE內置于PoE交換機或其它網絡交換設備中。一般一臺設備提供一定數量的PoE端口。它采用模式A或模式B傳輸供電，并可以和10BASE-T、100 BASE-TX 或1000BASE-T 數據傳輸兼容。

端接式PSE一直受到以太網交換機對輸送電力容量的限制。如果一個24端口的PoE交換機在每個端口都提供15.4W的輸出功率，那么整個PoE交換機要求提供高達370W的輸出功率，這會導致整個交換機過熱的問題。

（2）中跨式PSE

在現有網絡中的以太網交換機不支持PoE，而終端設備又需要PoE時，可以使用中跨式PSE供電。圖2顯示了一款中跨式PSE，也稱電源輸入器。它有兩個RJ-45接口，一個是數據輸入口，使用雙絞線電纜連接至不具有PoE功能的網絡交換設備（如非PoE交換機）；而另一個是數據和電源共用輸出口，用雙絞線電纜連接至用電設備(PD)。中跨式PSE采用模式B供電。

圖2 中跨式PSE（左是前視圖；右是后視圖）

圖3 多路中間跨接式PSE的應用連接

實際應用中，一些設備廠商還提供有多路端口的中跨式 ，可以同時為多路PD供電。如圖3所示的是多路中間跨接式PSE的應用連接[2]。中間跨接式PoE技術在提供多路高功率的電力的同時不會引起交換機的過熱和數據丟失等網絡問題。

3 PSE的工作原理

PoE的主要設備是PSE，它負責對PD的檢測、分級、上電、 斷路檢測等功能[3]。一旦當某個PD被加載，PSE將立即檢測到，并將在設備被移開時切斷電源。PSE還提供過流保護，以防止自己和PD遭受損壞。

3.1 檢測

PSE向線路供電之前，它是用一個較低的電壓來檢查25kΩ特征電阻，以避免將48V電壓加給非兼容PoE的網絡設備，而對其造成危害。在加電之前，PSE首先輸出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運算出電阻RPD（ΔV/ΔI）進行比較，通常我們將此方法稱為兩點檢測法。如果檢測到的電阻值在12～23.75kΩ 或在26.25～45kΩ，PSE 將會正確檢測到PD，但并不認為PD在申請電源，當然也不會向PD輸送電源；而如果相應的電阻值小于12kΩ或者大于45kΩ，PSE將根本不會正確識別PD。

當PSE在PD端口處用2.7V～10.1V的電壓偵測時，PD必須具有表1所示的輸入特性。

表1 IEEE802.3af對PD偵測特征的規定

3.2 分級

由于PD種類眾多，需要的電源功率也存在很大差別，所以PSE一旦偵測到有效的PD，接下來會進行PD功率分級操作。在這一階段，PSE會向鏈路饋送一個15.5V～20.5V的探測電壓，同時檢測鏈路上的電流。此時，PD的一個分級電阻被串聯進鏈路中，該分級電阻的大小會直接改變整個鏈路的電流值。PD通過從線上吸收一個恒定電流(分級特征信號)來向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。分級期間使用的電流必須限制到100mA內，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。

分級操作向PSE提供PD正常工作時需要的最大功率信息，這樣可以方便PSE對PD進行電源管理。PD的電源級別有0-4級，默認情況下是0級，在表2[4]中詳細的列出了幾種級別的區分標志。

表2 IEEE802.3af對PD分級的規定

3.3 供電

電流的大小來判斷PD是否在線。當電流在給定時間tdis(300～400ms)內保持低于閾值Imin(5～10mA)，PSE就認為PD不存在，從而切斷電源。這種方法的缺點就是，當PD工作在低功耗模式時，為避免掉線PD必須周期性地吸取一定的電流。

（2）AC斷路檢測法

AC斷路檢測法是PSE通過檢測端口的阻抗來檢測PD的存在。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。

在獲知到PD的確切電源功率級別后，PSE會將饋送電壓升高，開始為PD供電。PD就會從PSE獲得一個44V到57V的電壓[5]。供電期間，PSE還要對每個端口的供電情況進行監視，提供浪涌電流限制、過壓保護以及欠壓鎖定等。這時PD要遵守下列幾條規定：

（1）在端口電壓升到30V以前，它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；

（2）當電壓達到42V時，它必須處于完全工作狀態。工作狀態時PD端口電壓應該在36～57V，而當PD的端口電壓跌落到30～36V時，PD應該關斷端口。

（3）PD工作時不能連續消耗350mA及以上電流或12.95W及以上功率，短時內允許有400mA的浪涌電流。

（4）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180μF，PD就要主動限制浪涌電流，使它低于400mA。

4 IEEE802.3at采用新的分級機制

2009年發布的IEEE802.3at標準旨在應對能耗需求的增高，可以支持PSE最大輸出功率30W，給單個PD提供高達25W的輸入功率。PoE將惠及以前不符合標準PoE功率限制的大范圍產品[5]。

IEEE802.3at采用了新的Layer2分級機制：硬件分級機制和數據層機制，實現了802.3af PD可以由802.3at PSE供電，而且802.3at PD能夠知道是否能得到所需的全部功率。每種組合都需要有明確定義和一致的工作規則，這樣保證了互操作性。新的Layer2分級機制對PSE而言是可選的，但是要求PD實施。圖4顯示了IEEE802.3at中使用的分級方法。

4.1 硬件分級機制

3.4 斷路檢測

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，或引起纜線的短接。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最適合他們系統的檢測方法。

（1）DC斷路檢測法

DC斷路檢測法是根據從PSE流向PD的直流

硬件分級機制被稱為“兩事件分級”，并涉及那些基本上重復兩次802.3af電壓探測的PSE。每次對PD的電壓探測都同時引起一個被吸收的電流脈沖(參見圖4)，該電流脈沖對應一個特定的功率級。首先，PSE在數據或備用線上確定一個15.5V～20.5V的電壓脈沖。PD以高達40mA的電流響應，告訴PSE它是4個功率級中的哪一個。接著PSE發出一個至PD的雙脈沖信號，告訴PD所連接的PSE確實是一個大功率PSE，能夠提供802.3at規定的較高功率。802.3at PD以4級電流響應，告訴PSE它是一個大功率PD，需要25.5W功率。在802.3af中，Layer1分級方法是可選的方法，供PSE查詢PD，以確定PD的功率需求。在802.3at規范中，命令PSE執行這種分級方法。

4.2 數據層分級

圖4 PoE+ Layer1和Layer2分級機制

802.3 at還定義了一個新的數據層分級，稱為“鏈路層發現協議（LLDP）”，用于PSE和PD之間的通信。一旦鏈路受電，PSE和PD將能夠采用LLDP來確定PD的功率需求。采用LLDP后，允許PSE重復查詢PD，以了解PD狀態及其功率需求。有了這個機制，就有可能實現動態功率分配，PSE可以不斷向PD發布新級別的功率，PD也可以提出并在隨后放棄功率請求。隨著PoE系統向更加環保的電源環境發展，這種新的動態功率分配將會成為一種重要功能。

5 超越IEEE802.3at標準的應用

隨著新的技術需求，人們需要更高功率的PoE。新的PoE產品如今可以支持的功率已高于現有IEEE802.3af/at標準的供電，擴大了具備PoE功能的產品和設備數量。高功率的中跨和端跨設備，支持多重射頻無線訪問節點、云臺變焦監控攝像頭和流媒體視頻顯示IP電話的供電應用。

PoE顯示器方案也是在PoE功率提高中獲得應用的，功能更強大的客戶端也成為可能，若采用節能型的移動芯片方案，甚至能擺脫瘦終端的性能局限，直接驅動一臺桌面PC。在2010年深圳高交會上，AOC展出了“不開機就上網”的云計算液晶顯示器[6]，通過一個網線端口就能上網，其會將一些數據處理工作交給云端完成，然后再將結果返回到顯示器上。在這款云計算液晶顯示器上，完全看不到傳統顯示器的尾巴——電源線。云計算液晶顯示器的出現，可以視為顯示器擺脫電源線束縛的熱身運動。

6 結語

隨著網絡應用的不斷延伸，各種網絡應用設備日益增多，PoE技術將給眾多受電設備的安裝和使用帶來極大的方便。作為網絡化電源管理的一種應用，PoE供電功率的提升使該技術能夠更廣泛地應用于各種采用以太網進行連接的設備，并促進了網絡化電源管理技術在其他非以太網絡設備中的應用，從而使智能網絡化電源管理技術的應用前景更加廣闊。

[1 ] IEEE Std 802. 3af-2003[EB/OL]. http://standards.

ieee.org/getieee802/802.3.html.2003-6-18.

[2] Tim Peberdy. PoE以太網供電技術 [J].電子產品世界，2010，12:62-63.

[3] 劉佳,黃華.兼容IEEE802.3af的高功率以太網供電PD端設計[J]. 現代電子技術，2008,5:160-164.

[4] 應進平.以太網供電技術的研究與應用[J].現代傳輸，2006,3:85-87.

[5] 安森美半導體.集成IEEE802.3at PoE-PD接口控制器[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=NCP1094.

[6] 和訊百科.PoE供電顯示器 [EB/OL]. http://wiki.hexun.com/view/15625.html