以太網(wǎng)供電技術(shù)簡(jiǎn)介

0 概 述

以太網(wǎng)供電POE(Power Over Ethernet)是一種允許在以太網(wǎng)線雙絞線上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和電能的技術(shù)，該技術(shù)作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3af在2003年6月得到了批準(zhǔn)。IEEE技術(shù)使得以太網(wǎng)雙絞線在傳輸數(shù)據(jù)包的同時(shí)可以向遠(yuǎn)端(100 m)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供大約13 W的功率.這就意味著像I工，電話、無(wú)線接入點(diǎn)、IP，網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以不再需要本地的交流電源就能獲得電能而正常工作;同時(shí)使得這些設(shè)備的安裝和維護(hù)比較方便和靈活;并且由于無(wú)需考慮設(shè)備的供電問(wèn)題.因此有效地降低了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)的成本，由此可見(jiàn)POE技術(shù)的優(yōu)越性是很明顯的。

1 工作原理

通過(guò)以太網(wǎng)線雙絞線完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電，需要兩個(gè)設(shè)備，一個(gè)是提供電源的設(shè)備稱為供電設(shè)備PSE(Power Supply Equipment)，PSE在每個(gè)供電端口(RJ-45端口)上提供最大電流約350 mA的48 V直流電源，直接驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)雙絞線，扣除以太網(wǎng)雙絞線(最長(zhǎng)100 m)上的功率損耗，供電設(shè)備可以向終端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供約13 W的功率;而從以太網(wǎng)雙絞線上獲取電能的設(shè)備被稱為受電設(shè)備PD(Powered Device)。以太網(wǎng)供電系統(tǒng)要能與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容，要求必須符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在一定的時(shí)間內(nèi)，供電設(shè)備PSE必須完成對(duì)終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的檢測(cè)和分級(jí)，然后決定是否對(duì)其供電以及輸出多少功率。這一規(guī)定可以保障不兼容POE的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不至于受到48 V電源的破壞。所以供電設(shè)備的卞要功能是檢測(cè)是否有兼容POE的設(shè)各(PD)連按入POE系統(tǒng)或從POE系統(tǒng)中斷開(kāi)，井對(duì)受電設(shè)各進(jìn)行分級(jí)，以提供相應(yīng)功率的電源或切斷電源。根據(jù)應(yīng)用類刑的不同，802.3af標(biāo)準(zhǔn)允許供電設(shè)各有兩種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PD供電：

一種是端點(diǎn)PSE(Endpoint PSE)，即在同一個(gè)設(shè)各內(nèi)嵌入了以太網(wǎng)交換機(jī)等數(shù)據(jù)交換模塊和電源模塊。在這種供電模式中，可以選擇以太網(wǎng)雙絞線中的信號(hào)線對(duì)(1，2和3，6)或者“空閑線對(duì)”(4，5和7，8)來(lái)承載48 V直流電源。當(dāng)選擇信號(hào)線對(duì)傳輸電源時(shí)，48 V DC通過(guò)加在隔離變壓器的兩個(gè)中心抽頭上來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)受電設(shè)各的供電(圖1)，從而避免了對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的影響。由于電源可以疊加在信號(hào)線對(duì)上，所以這種方式的POE系統(tǒng)可以支持千兆以太網(wǎng)。將端點(diǎn)PSE應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，由于需要更換現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)各，所以端點(diǎn)PSE較適合于建設(shè)新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 端點(diǎn)PSE使用信號(hào)線對(duì)或空閑線對(duì)傳送電源

另一種是中跨PSE(Midspan PSE)，即供電設(shè)備和傳統(tǒng)的交換設(shè)備是分離的。在這種供電模式中，PSE安裝在傳統(tǒng)的交換設(shè)備和終端設(shè)備之間，通過(guò)以太網(wǎng)雙絞線中的“空閑線對(duì)”注入電源(圖2)。將中跨PSE應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，由于無(wú)需對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動(dòng)，所以中跨PSE較適合于對(duì)現(xiàn)有的以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

圖2 中跨PSE使用空閑線對(duì)傳送電源

以太網(wǎng)供電系統(tǒng)要能正確而安全的工作，要求供電設(shè)各和受電設(shè)各的設(shè)計(jì)必須遵循IEEE 802.3af以太網(wǎng)供電規(guī)范中所定義的幾個(gè)條件。下面介紹以太網(wǎng)供電系統(tǒng)在工作時(shí)的四個(gè)主要過(guò)程：

(1)檢測(cè)

供電設(shè)各首先要檢測(cè)連按在線纜上的終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)各是否符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD，一個(gè)符合規(guī)范的PD必須在一定的時(shí)限內(nèi)提供特有的檢測(cè)特征。PSE的檢測(cè)過(guò)程如下：在建立以太網(wǎng)供電連按時(shí)，PSE首先向線纜上送出2.8 V至10.1 V的限流電壓，同時(shí)啟動(dòng)檢測(cè)算法。此時(shí)，如果終端用電設(shè)各通過(guò)以太網(wǎng)線纜旱現(xiàn)出如表1的特征值，則該用電設(shè)各被稱為有效的PD;這將導(dǎo)致線纜中的電流發(fā)生特定的變化，即相當(dāng)于向PSE提出供電請(qǐng)求。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)各在RJ45端口上的特征阻抗通常較小，約為150 Ω，稱為無(wú)效的PD。其特征值如表2所示，PSE將不會(huì)向這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)各輸出48 V直流電源，以保障傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)各不會(huì)受到破壞。此外，從表1和表2可以看出，供電設(shè)各PSE可以按受一個(gè)寬范圍的特征阻抗(19 kΩ～26.5 kΩ)，以減少網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在的寄生電阻的影響。至此，PSE完成了對(duì)終端用電設(shè)各的檢測(cè)，即區(qū)分出了哪些網(wǎng)絡(luò)設(shè)各是符合標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)各。

表1 有效PD的特征

表2 無(wú)效PD的特征

(2)分級(jí)

由于受電設(shè)備的種類很多，需要的電源功率各不相同，所以在供電設(shè)備正確檢測(cè)到受電設(shè)備以后，接著向線纜上施加一個(gè)15 V至20 V的探查電壓，以決定輸出多大的功率給連接在線纜上的受電設(shè)備，這個(gè)過(guò)程稱為PD功率分級(jí)。在這個(gè)過(guò)程中，符合規(guī)范的受電設(shè)備會(huì)將一個(gè)分級(jí)電阻串聯(lián)到線纜中。同時(shí)，受電設(shè)備表現(xiàn)得近似為一個(gè)恒流源，用來(lái)指示本用電設(shè)備將要吸取的最大功率。供電設(shè)備通過(guò)測(cè)量以太網(wǎng)雙絞線中的電流大小來(lái)確定受電設(shè)備屬于哪個(gè)功率分級(jí)，然后輸出相應(yīng)的功率。802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了。0～4共5個(gè)功率級(jí)別，如表3所示。

表3 PD功率分級(jí)及其分級(jí)特征

(3)供電

PSE在成功檢測(cè)到PD和完成對(duì)PD的分級(jí)以后，接著將施加在雙絞線對(duì)上的電壓迅速升高到48 V，開(kāi)始向受電設(shè)各正常供電，同時(shí)受電設(shè)各中的檢測(cè)電路(檢測(cè)電阻和分級(jí)電阻)立即被切斷，使得檢測(cè)電路不會(huì)繼續(xù)消耗電源的功率。

(4)斷開(kāi)檢測(cè)

供電設(shè)各給受電設(shè)各供電以后，如果供電設(shè)備不能在受電設(shè)各己經(jīng)從系統(tǒng)中斷開(kāi)后迅速切斷電源，則這一帶電的RJ45端口可能接通一個(gè)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使其受到破壞性的影響。所以供電設(shè)各必須能夠檢測(cè)PD的”維持功率”特征來(lái)判斷受電設(shè)各是否己經(jīng)從系統(tǒng)中斷開(kāi)，從而決定是否斷開(kāi)對(duì)受電設(shè)各的供電。802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種檢測(cè)受電設(shè)各斷開(kāi)的方式，即DC斷接和AC斷接，DC斷接是通過(guò)測(cè)量從一個(gè)RJ45端口吸收的最小電流，以確定受電設(shè)各是否己經(jīng)從線纜中斷開(kāi);AC斷接是通過(guò)測(cè)量受電設(shè)各的阻抗來(lái)進(jìn)行斷開(kāi)檢測(cè)，這種方式被認(rèn)為是一種更加準(zhǔn)確的受電設(shè)各斷接檢測(cè)法。