以太网供电技术的优势及系统的介绍

通过在单根CAT 3或CAT 5电缆上组合电源和通信，与使用单独系统的安装相比，工程师可以快速，低成本地构建低维护以太网网络。毫不奇怪，该技术已经在电气和电子工程师协会（IEEE）标准下得到迅速接受和正式化。被称为“以太网供电”（PoE），该技术的关键优势在于其简单性以及只要有数据插座就可以使用电源的事实。

本文介绍了PoE和更高功率的PoE +，概述了标准，解释了组件，有源器件，供电设备，“中跨”和“端点”以太网交换机和分离器，并描述了一个简单的系统。

PoE的早期版本PoE首先出现在为互联网协议语音（VoIP）电话供电的问题上。传统电话直接从带有语音呼叫的铜线上取电。然而，越来越流行的VoIP电话没有连接到这些传统电路，而是通过公司局域网（LAN）的以太网电缆进行呼叫。以太网电缆没有供电，因此必须通过适配器将VoIP电话插入主电源。这是一个不太优雅的解决方案，如果建筑能力丢失，手机就会死机。

2000年，电信设备供应商思科成为第一家通过引入专有技术来模仿传统电话系统的公司，该技术允许以太网电缆承载48 VDC电源为VoIP电话供电（图1）。然而，PoE在2001年和2002年确实获得了动力，因为其他制造商，特别是无线接入点制造商，利用了这项技术。

图1：采用PoE的Cisco VoIP电话（由Cisco提供）。

该技术最终引起了IEEE的注意，IEEE早在1983年就负责制定“以太网标准”（IEEE 802.3）。该组织认为创建标准版本的PoE至关重要。制造商可以使他们的产品“准备好PoE”。这项工作被分配给IEEE 802.3以太网委员会的一个工作小组委员会，命名为“802.3af”。到2003年6月，工作小组委员会批准了IEEE 802.3af PoE标准。 2009年，第二个标准IEEE 802.3at被批准，它定义了一种可以处理更多功率的类似技术。¹

标准中定义了什么？

IEEE 802.3af详细介绍了一种PoE技术，旨在为每个设备提供高达15.4 W的直流电源（最小44 VDC和350 mA）。（由于电缆损耗，保证只有12.95 W可用于要使用的设备。）

该技术使用单个标准RJ45连接器和CAT 5（甚至CAT 3）电缆，可以处理数十瓦。安装以太网网络进行通信后，它还可用于电源，节省材料，人工，安装时间和持续维护成本。

可以在以太网电缆的未使用导体上传输功率，因为典型的10到100 Mbps物理层只需要CAT 5布线中的四对中的两对（此技术在下面称为“备选B”） IEEE标准）。通过向每对施加共模电压，也可以在电缆的数据导体上传输电力。由于以太网使用差分信令，因此不会干扰电缆的数据传输（标准中的“备选方案A”）。

IEEE 802.3af定义了两种类型的PoE设备，即供电设备（PSE）和受电设备（PD）。 PSE从其自身的传统电源获取电力，然后管理通过以太网电缆网络发送到PD的电力，PD通过RJ45连接器获取所需的电力，而无需内置电源。 PoE能够通过长达数十米的典型以太网电缆为PD供电。 PD是诸如原始VoIP电话和无线接入点，安全摄像机，销售点（POS）终端，温度控制系统甚至机上娱乐系统之类的设备。

除了标准化备用对和共模数据对电力传输的现有做法外，IEEE PoE标准还提供PSE和PD之间的信令。该信令允许PSE检测符合设备，避免损坏连接到网络的非PoE设备。 PSE和PD‘协商’所需或可用的电量。为了检测PD，PSE在导体上施加2.8到10V之间的DC电压。然后，PSE通过测量回路电流来确定是否存在PD连接。 PD应具有19至27kΩ的电阻负载，并且120 nF或更小的并联电容作为特征。图2显示了为PD供电的PSE的示意图。

图2：典型的PoE应用（由德州仪器公司提供）。

增强标准

虽然PoE可以为PD提供大约13 W的功率，但某些设备可以从更多功率中受益（例如，具有摇摄，倾斜和变焦（PTZ）功能的摄像机）。为满足这些产品的需要，2009年推出了第二个标准IEEE 802.3at。该技术也被称为“PoE +”，该技术可为PD提供高达25.5 W的DC。 PSE提供50至57 VDC，而PoE为44至57 VDC。与早期技术的350 mA相比，PoE +的电流增加到600 mA。

PoE +仅使用CAT 5电缆（有8条内部电线，与CAT 3的4条电线相比），这样可以降低阻抗的可能性并降低功耗。此外，PoE +还为网络管理员提供了更强大的功能，例如提供新的远程电源诊断，状态报告和PD电源管理（包括嵌入式设备的远程电源循环）。

最后，PoE +提供动态功率分配，优化的功率分配和良好的电源利用率，从而提高系统效率并降低成本。表1比较了PoE和PoE +。

属性IEEE 802.3af IEEE 802.3at类型2可用功率PD 12.95 W 25.50 W PSE提供的最大功率15.40 W 34.20 W电压范围（PSE时）44.0-57.0 V 50.0-57.0 V电压范围（PD）37.0 -57.0 V 42.5-57.0 V最大电流350 mA 600 mA电源管理三种功率等级四种功率等级支持布线类别3和类别5类别5及以上支持的模式备选A和B备选A和B

表1： PoE与PoE +的比较。

Endspans和中跨设备PSE可以实现为端到端（支持以太网PoE的交换机）或中跨设备（与网络上已有的无源以太网交换机配合使用的电源集线器）。 PD可以从终端或中跨接收同样好的功率。

Endspans直接向设备供电。根据规范，端到端可以使用电缆中的备用对或数据对，也可以用于千兆以太网传输。 Endspans需要支持PoE的交换机，因此，往往需要为需要新设备的新安装指定。

Midspans使用中间供电的配线架或“注入器”，放置在现有的以太网交换机和PD之间。中跨通常位于交换机附近，然后被认为是PSE，允许电缆不受远程设备的影响而运行。该规范允许中跨只使用电缆中的备用对;因此，它们不能用于通过千兆以太网连接等数据线发送电力。

有一系列中跨注入器可供添加到传统以太网网络中。莱尔德科技为此应用提供POE-48I电源。电源在输入侧自动调节，并具有稳压输出。该设备可与任何符合IEEE 802.3af标准的设备配合使用。 POE-48I具有单个端口，可在500 mA下提供48 V电压，最高可达24 W.

Microsemi模拟混合信号组提供符合更高功率IEEE 802.3at标准的单端口中跨注入器， PowerDsine 9001GR。 9001GR可在55 V时产生高达30 W的功率，可为包括PTZ摄像机和可视电话在内的全新应用提供远程供电。该设备向后兼容IEEE802.3af，可为现有的10/100Base-T网络设备和新兴的无线1000Base-T设备（如WiMAX和IEEE 802.11n无线接入点）供电。图3说明了典型应用。

图3：PowerDsine 9001GR中跨以太网交换机的应用原理图。

许多多端口中跨也可用。 Phihong提供8，16和24端口的中跨设备。 POE370U是符合IEEE802.3af标准的24端口中跨注入器。每个端口提供15.4 W无需额外电源管理。该装置提供检测，断开和过载保护，并可配备1U机架安装套件。

中跨供应商也可以提供‘分离器’。这些设备使用PoE输入，分为两个输出：数据和电源。可以使用更常规的方式（例如DC电缆）将电力重定向到终端设备中。分路器充当兼容PSE和不兼容PD之间的中间设备。

莱尔德科技提供POE-12S-AFI有源PoE分配器，可接受来自任何IEEE 802.3af路由器或电源的PoE电源。该装置具有过载和短路保护功能，可在检测到短路时立即关闭电源，而不会损坏PoE系统。

在端点或中跨PoE网络之间进行选择

Endspans在实现和运行时只需要使用IEEE标准定义的PD，但是有一些很好的理由可以选择这种技术。例如，工程师倾向于选择端点交换机，如果它们正在替换所有旧交换机，或者安装是新的。

使用endpans的另一个原因是为了避免将传统的以太网交换机连接到中跨PoE集线器所涉及的不整齐和不方便的额外跳线以及额外的工作。此外，两个设备而不是一个设备使潜在的故障点数增加一倍，并使管理员的生活变得更加复杂，这些管理员在坚持为网络上的每个设备提供单独IP地址的公司中工作。

选择端跨开关的工程师应注意，许多端点单元最多只能提供200 W，因此24端口交换机每个端口最多只能提供8.3 W，低于最大功率15.4 W。 PoE标准。具有相对较新的以太网交换机的工程师已经采用中跨交换机，因为更换交换机以获得PoE功能将是昂贵的。但是，工程师必须确保交换机制造商很高兴网络支持中跨产品，并且有足够的空间来容纳它们。从电气角度来看，如果网络工程师希望为特定PD使用24，12和5 V等非标准电压，并且希望最大限度地提高每个端口的可用功率，那么中跨交换机是首选。对于包含许多具有自己的电源以及PoE设备的传统设备的网络，中跨交换机也是一种有用的选择。

与跨端交换机相比，中跨交换机往往具有更长的保修期（两年与一个交换机相比），并且可以与标准和专有应用程序一起使用。

图4显示了使用端点和中跨交换机构建的网络。

图4：使用端点和中跨交换机的网络示意图。传统上，PSE将分立电路分为电源，以太网和电源之间的通信接口。然而，为了使实施更加容易，芯片供应商推出了一系列集成的PSE控制器，以优化PoE +安装的操作。

这些控制器通过将接口电路与线性稳压器或开关电源相结合，将电源电压转换为适用于以太网电缆的50至57 VDC，从而降低PoE和PoE +设备所需的外部组件的复杂性和数量。 （有关这些组件的更多信息，请参阅TechZone文章“以太网供电以满足更高的需求”）。

接下来是PoE ++吗？

自本世纪初开发以来，PoE（以及最近的PoE +）已成为一种特别适用于商业和工业应用的流行技术。今天的主要市场力量是连接IP安全摄像头和无线接入点的要求，但其他制造商正在引入稳定的PD流，利用PoE和PoE +，如传感器，探测器，安全访问设备，显示器和人机器接口（HMI）。

该技术实施起来相对简单，特别是对于新安装，中跨交换机的引入缓解了将PoE添加到传统网络的挑战。 PoE +的引入增加了PD的可用功率，导致引入了使用旧技术操作过于贪婪的新应用。

尽管如此，PoE技术仍在不断发展，因为工程师们热衷于添加需要更大功率的新PD;已经有专有的PoE系统，可提供高达60W的功率。这些技术不符合现行标准，不能互操作，这可能对不兼容的硬件有害，但它们开创了一个更高的先例 - 要开发的标准的电源版本。