以太网供电基础

以太网供电 (PoE) 传输短距离（最长 100 米）直流电源跨供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD) 之间的以太网电缆。

[编者注：通过同一根电缆传输电力和数据的便利性令人信服，正如 USB 已成为许多消费设备无处不在的电源一样，以太网供电 (PoE) 为商业和工业带来了多重好处应用程序。这个由两部分组成的系列中的上一篇文章描述了 PoE 在其中一些应用中的作用。 ]

据美国国家消防协会 (NFPA) 称，美国商业火灾的第三大原因是电气和照明设备。典型的根本原因是线路陈旧或有缺陷、电路过载、连接松动、保险丝故障、电气负载不平衡以及许多其他电气或照明问题。这些会导致过热，产生火花，最终会引起火灾。

主电源通过三根绝缘铜线传输长距离和短距离交流电：火线、中性线和地线。火线带有交流电势差（120 VAC 或 230 VAC）。中性线完成电路并保持在或接近地电位，或 0V。地线是一种安全线，可在发生故障时将电路接地。简而言之，与保险丝和断路器一起，主电源将其总铜线（地线）的 33% 用于安全。

图 1：2.5 mm2 实心铜电源线（左）的横截面，旁边是相同比例的实心铜 23 AWG CAT6 电缆（右）（来源：以太网联盟）

以太网供电 (PoE) 在供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD) 之间通过以太网电缆传输短距离（最长 100 米）直流电源。根据 PoE 标准，最多使用八根铜线来传输直流电源，包括返回路径。简而言之，PoE 没有将任何铜线用于安全。在哲学和架构上，PoE 标准将安全控制从铜（电源）转移到硅。这里有两个好处；硅比铜便宜得多，而且您可以对硅进行编码。你不能编码铜。

2 对电源与 4 对电源

以太网使用具有八个触点的 RJ45 连接器。它们分为四个差分 (diff) 对（图 2）。在 10BASE-T (10 Mbps) 和 100BASE-TX (100 Mbps) 网络中，可用的四个差异对中只有两个用于传输数据，剩下两对未使用。在千兆以太网 (1 Gbps) 网络中，所有四个差异对都用于数据传输。

利用现有的 10/100/1000 以太网基础设施，IEEE 802.3af（现在称为 PoE）提供 350 mA/对，最大 57 V，以及 IEEE 802.3at，提供 600 mA/对，最大 57 V（称为 PoE 1) 使用这些未使用的线对供电，实现两种替代模式；备选方案 A 或 B：

A. 备选方案 A (PSE) 或模式 A (PD) 在差异上传输电源。对 2 和 3

B. 替代 B (PSE) 或模式 B (PD) 在差异上传输电源。对 1 和 4

同时，PoE 2 或 IEEE 802.3bt 通过使用所有四个差异在 4 对电源上运行。对 960 mA/对，最大为 57。这在 PSE 上达到 90 瓦。

图 2：2 对电源与 4 对电源

IEEE 802.3bt (90 W) 分类

以太网联盟进一步将这四种类型划分为八个不同的类别，如图 3 所示。对于供电设备 (PSE)，每个 PoE 2 类别 (5-8) 是一个 15 W 切片，而每个 PoE 2 类别是一个 11 W用于受电设备 (PD) 的切片。更精细的类与类型切片优化了多端口 PSE 的效率，为连接的 PD 提供各种电源，尤其是随着连接的 PSE 端口数量的增加。

图 3：IEEE 802.3bt 分类

IEEE 802.3af/at/bt 电源供应阶段

PSE 和 PD 之间的 PoE 电源供应遵循五个不同的阶段，如下图和图 4 所示。

• 第一阶段：检测
• 第 2 阶段：分类
• 第 3 阶段：启动
• 第 4 阶段：运营
• 第 5 阶段：断开连接

PSE 包含一个与返回电流路径串联的 Rsense 电阻器，用于测量 PD 执行的任何电流吸收。 PD上还有一个25k的下拉签名电阻，用于通知PSE检测到。

图 4：PoE 供电阶段（来源：以太网联盟）

阶段 1. 检测

当 PSE 和 PD 通过以太网电缆连接时，PD 会向 PSE 提供一个 25 kΩ 的下拉电阻（图 4 右）。然后 PSE 在 500 毫秒的窗口内执行两次电流测量：

1) 强制V 2.8 V，并测量I

2) 强制 V 10 V，并测量 I

通过计算 ∆V / ∆I，如果 PSE 测量值从 19 KΩ 到 26.5 ΩK，则 PSE 可以接受检测为有效。否则，PSE 必须拒绝检测。执行差分测量的好处是任何周围噪声（干扰源）对于每次测量都是共同的，因此将被拒绝（共模抑制）。

阶段 2. 分类

在分类阶段，PD 向 PSE 宣布其请求的类别签名或功率要求。分类阶段分为五个类事件或时间段，如图5所示。

1) Class Signature 0:1 mA to 4 mA

2) Class Signature 1:9 mA to 12 mA

3) Class Signature 2:17 mA 至 20 mA

4) Class Signature 3：26 mA至30 mA

5) Class Signature 4:36 mA to 44 mA

图 5. PD 生成的类签名

该图显示了每个类别事件（列）期间需要哪个类别签名（行），以便识别 PD 类别 (1 – 8)。例如，7 类 PD 在类事件 1 期间提供 40 mA，在类事件 2 期间提供 40 mA，在类事件 3 到 5 期间提供 18 mA。PSE 在每次事件期间测量 PD 的电流吸收以了解 PD 的等级。

PSE 负责强制施加如下图 6 所示的电压，而 PD 负责吸收多达五种不同的电流电平，称为类特征。

图 6：类签名和当前级别

自动分类

如图 5 所示，类事件 1 比其他类事件长。这是 802.3bt 独有的，而不是 802.3at 或 802.3af 的情况。如果 PD 也符合 802.3bt，则 PD 可以在 81 毫秒内更改为类签名 0（1 到 4 mA），进入类事件 1，这会通知 802.3bt PSE PD 也是 802.3bt 并支持 Autoclass。

PD 开启后，PD 提供最大功率约 1.2 秒。 PSE测量PD功率，增加一些余量，成为PSE提供的新的优化功率电平。

Autoclass 优化 PSE 功率分配。例如，如果 PD 在运行期间需要最大 65W 的功率，则 PD 会将自己标识为 PSE 的 8 类，以保证 PD 的 65W。如果没有 Autoclass，PSE 将分配 90W，以确保 PD 获得 65W。使用 Autoclass，PSE 的读数可能仅为 66.5 W（短电缆长度），+ 1.75 W 余量 =68.25 W 分配。节电为 21.75 W，或约 25%。虽然这看起来并不重要，但如果 PSE 交换机有 8 个 802.3bt 端口，Autoclass 可以优化每个端口（使用各种电缆长度），从而总共节省数百瓦的潜在效率。

第三阶段：启动

在启动阶段，PSE 负责将 1 至 4 类的浪涌电流限制为 450 mA，将 5 至 8 类的浪涌电流限制为 900 mA。

在启动阶段，PD 负责将 1-6 类负载电流限制为 400 mA，将 7-8 类负载电流限制为 800 mA。

阶段 4-5：运行、断开和 MPS

保持功率签名 (MPS) 是一种保持活动功能，其中 PD 会从 PSE 接收周期性电流脉冲，以通知 PSE PD 尚未断开连接。如果 400 毫秒后 PSE 没有收到 PD 的 MPS，则 PSE 必须断开 PD 的电源。

IEE 802.3bt PD 应用框图

图 7 描绘了典型的受电设备 (PD) 802.3bt 应用图。从左到右，变压器交流将以太网 10/100/1000 数据耦合到附近的处理器。全波整流由 GreenBridge™ 2 完成，比传统的硅二极管桥消耗更少的功率。安森美半导体的 NCP1095 ^® （引脚 7）提供 25kΩ 检测下拉电阻器，而引脚 2 和 3 按等级（电阻值）确定 PD 的功率要求，在连接后的分类事件期间与 PSE 通信。引脚 6、8、9 和 10 使用外部 Rsense 和传输门共同控制浪涌和过流保护 (OCP)。与配套处理器的三位通信在引脚 13、15 和 16 上完成。引脚 14 PGO 引脚在功率输出良好时通知下游 DCDC 设备。引脚 4 允许 NCP1095 从本地辅助电源供电，而引脚 6 控制 Autoclass，这是 802.3bt 的一项新功能。

图 7：802.3bt 应用图

安森美半导体还提供集成了外部FET和Rsense的NCP1096控制器。

你可以编码硅

保险丝、断路器和地线是防止电气火灾的相对钝器，尤其是与 IEEE 802.3bt 的特性相比时。它提供的电源配置功能，例如分类、自动分类、浪涌和 MPS，要优越得多。例如，使用市电电源时，隐藏在墙壁或天花板中的啮齿动物很容易在没有任何警告的情况下引起电气火灾。相比之下，如果PD没有每400ms给PSE提供一次MPS，PSE就会自动断电给PD。

可以很容易地想象编写 PSE 以捕获计划外的断开连接，这会向 IT 部门触发预警信号，从而有可能防止发生建筑物火灾等灾难性事件。同时，Classification 和 Autoclass 会智能地分配负载所需的确切功率。这是一种非常安全有效的配电方式。如前所述，硅比铜便宜很多，你可以对硅进行编码，但不能对铜进行编码。

>> 本文最初发表在我们的姊妹网站 Power电子新闻。

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