PoE系统介绍及完整防护方案

PoE 全称为 Power over Ethernet，是一种在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，能同时为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号和提供直流供电的技术。PoE系统可以通过10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T、2.5GBASE-T和10GBASE-T等以太网铜缆进行供电，对于终端而言不再需要考虑其室内电源系统布线的问题，在接入网络的同时就可以实现对设备的供电。

PoE系统独有的集成数据传输和电力供应于一体的系统结构，使得其对于电子元件的稳定性和可靠性有着极高的要求。本文通过组合气体放电管(GDT)、瞬态抑制二极管(TVS)、场效应管(MOS)和静电保护二极管(ESD)等多种保护元件，采用多级分层保护拓扑，能够有效降低静电和浪涌对设备的影响，提高PoE系统的可靠性，延长设备使用寿命。

PoE系统介绍

1.PoE系统结构

以太网电缆给设备供电主要需要两个组件：受电设备（PD）和供电设备(PSE)。

①供电设备PSE（Power-sourcing Equipment）：通过以太网给受电设备供电的PoE设备，提供检测、分析、智能功率管理等功能。

②受电设备PD（Powered Device）：如无线AP、便携设备充电器、刷卡机、摄像头等受电方设备。

图1 PoE系统组成图

2.PoE供电模式

按照 IEEE 标准的定义，PSE 设备主要用于给 PD 设备供电，包括 MidSpan（PoE 功能模块在设备外）和Endpoint（PoE功能模块集成到设备内）两种类型。

Endpoint类型的PSE设备依据使用的供电线对不同分为Alternative A（两种供电模式。

Alternative A供电模式通过数据对供电。PSE通过1/2和3/6线对给PD供电，1/2链接形成负极，3/6链接形成正极。10BASE-T、100BASE-TX接口使用1/2和3/6线对传输数据，1000BASE-T接口使用全部的4对线对传输数据。由于DC直流电和数据频率互不干扰，所以可以在同一对线同时传输电流和数据。

图2 模式A示意图

Alternative B供电模式通过空闲对供电。PSE通过4/5和7/8线对给PD供电，4/5链接形成正极，7/8链接形成负极。

图3 模式B示意图

根据所需的功率，PoE 设备被分为Class 0 至Class 8共9个级别：

 

 

表1 PoE 设备级别分类表

3.PoE上电过程

检测PD：PSE向PD电阻（24.9kΩ）发送一个测试电压（<10.1V）；若阻抗值匹配，则表明为一个标准 PoE 设备。

功率分级：供电能力不仅可以通过解析PSE与PD发送的电压实现，还可以通过链路层发现协议LLDP协议发现和通告供电能力进行协商。

开始供电：在启动期内(一般小于15μs)，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提升至54V左右。

正常供电：电源稳定在54V左右，同时根据分级结果限制最大功率，PD设备功率消耗不超过PSE最大输出功率。

断电：供电过程中PSE会不断监测PD电流输入，若电流输入异常，PSE会断开电源，并重复检测过程

4.标准PoE与非标准PoE的区别

标准PoE交换机是一种符合标准PoE供电的网络交换机，内部有PoE控制芯片，在供电之前会进行检测（主要检测支持 IEEE802.3af/at/bt标准的受电端设备），以确保交换机与受电端设备之间的电源兼容，从而进行供电。若检测不到支持以太网供电标准的受电端设备，标准PoE交换机将不会为所连接的设备进行供电，从而有效预防对非标受电端设备造成损伤，起保护作用。 

非标准PoE交换机不符合IEEE标准，供电不具有握手协议，无PoE控制芯片，没有检测过程，它不管终端设备是否支持PoE，都将通过网线为其进行供电，若是终端设备不支持PoE，使用非标准PoE交换机有可能会烧毁终端设备。

表2 标准PoE与非标准PoE的区别

解决方案

1.PSE控制端

 

 

 

表3 PSE控制端可用物料汇总

2.PSE接口端

图5 PSE接口端典型应用

表4 PSE接口端可用物料汇总

3.PSE电源端

图6 PSE电源端典型应用

表5 PSE电源端可用物料汇总

4.PD端

输入电桥和肖特基二极管

对于PD输入电桥，使用肖特基二极管代替PN结二极管可将功耗降低约30%。使用 FET桥架构时，通常可以进一步提高效率。一般情况下建议对输入整流器使用 2A、100V 额定值的分立式或桥式肖特基二极管。

图7 PD输入电桥典型应用

表6 PD输入电桥可用物料汇总

输入端TVS保护

必须对 PD整流电压使用 TVS。推荐为一般室内应用使用 SMAJ58A或具有同等或更好性能的器件。适当的电容滤波或 TVS必须将电压限制在最大绝对额定值内。室外场景或特殊应用需要额外的保护。

图8 PD输入端典型应用

表7 PD输入端可用物料汇总

 

总结与结论

PoE系统简化了工业生产中的布线与安装过程，提高了设备可靠性与稳定性，推动工业自动化与智能化的发展，防止PoE系统因为静电干扰而损坏至关重要。以上是湖南静芯提供的PoE系统静电防护完整方案，可以有效降低静电对PLC设备的影响，希望能对PoE系统设计带来帮助。

湖南静芯是业内少有同时具备模拟IC与分立器件研发团队的公司，基于长时间的技术积累，是国内首家为客户提供满足国际标准通讯协议IC(例如：4-20mA、RS485/422/232等)以及完整接口防护器件及方案的公司；也是国内首家提供超高速信号线EMC完整解决方案的公司，详情可以参考：湖南静芯推出Thunderbolt4、5/USB4.0&PD3.0的ESD&EOS防护完整解决方案100W+80G与湖南静芯推出USB4.0&PD3.1的ESD&EOS防护完整解决方案140W&180W+120G等文章。同时静芯的FAE团队可免费为客户提供EMC整改、板级电路优化、器件参数测试等服务。