实现数据与直流电源在以太网上共线传递

以太网供电（PoE，Power Over Ethernet）是一种刚被批准为IEEE 802.3af标准的供电技术。它利用了普遍存在的通用以太网络，在传送数据包的同时完成直流电源的输送工作。最近批准的这个IEEE标准似乎将成为第一个通用电源插口或插座定义在全球范围使用的实例。它意味着，对诸如IP 电话、无线接入点以及网络监控摄像头等需要持续供电的各种连网设备来说，不必再连接自己的交流电源。它还意味着这些设备无需放在交流电源插座附近，所以可以省掉电源电缆。
　　在PoE系统中，通过现有以太网接受电源的客户端设备叫做受电设备(PD)，为PD提供电源的设备叫供电设备(PSE)。PD的功耗限制在12.95W，PSE 输出限制为每个RJ-45 端口15.4W。在以太网连接电缆和物理层设备(PHY)变压器保持良好平衡的情况下，每个PD最多可以获取350mA的连续电流。
　　考虑到沿CAT-5以太网传输线（可达100米长）的电压降，IEEE标准为PD和PSE规定了不同的功率额定值。在较长的链路上电压降会更明显，因此 PSE 的输出电压要高于标称的 48VDC，以使 PD 获得最大功率。因此，在以太网链路上到处都可以见到高达57VDC 的电压。
　　大多数PoE 网络可以采用端点(endpoint)或中跨式(midspan)PSE 实现。端点PSE在单个设备里集成了以太网交换机和电源，它被放置在以太网链路的另一端。因为在以太网链路的端点已存在电源，这种类型的PSE提供了实现PoE网络的最简便的方法。这种以太网交换机有时也称为已具备“线上电源”(inline power)。如图 1所示，端点PSE很适合用来部署新的基础网络。

图 1，对端点PSE和PD设备来说，电源是通过信号线对分配的。这种类型的PSE提供了实现一个PoE网络最简便的方法，因为电源已经通到了以太网连接的端点上。

　　对于那些不能用这种方式升级的现有以太网，可以采用中跨式PSE，将电源插入到以太网里。中跨式PSE可以通过CAT-5电缆中的“空闲线对”提供电源，如果只有几个以太网设备需要供电，这是一个最具成本效益的方法。例如有4至24端口的局域网，它可以是更大规模的多端口网络系统的一部分（见图2）。端点PSE与中跨式PSE不同之处在于它的供电选择方式——可以与信号线在同一线对上，也可以在空闲线对上。一般来说，一个PSE必须能够通过信号线对或空闲线对提供电源，但不必两者都用。

图 2，对中跨式PSE和PD设备来说，电源是通过空闲线对分配的。中跨式PSE方法更适用于不进行大规模变动的现有以太网。

　　虽然看似简单，但设计这种系统要付出相当的努力。它们必须具备向后兼容性，以保证老设备不会在以太网上接到48VDC电压。IEEE 802.3af包含了向后的兼容性，并且包括了为以太网供电的可选择性，因而也具备向前兼容性。对于一位设计人员，如果他正在开发的产品计划运行在新的或现有系统——用于千兆以太网或 1000BASE-T/TX，从本文中将会得到一些启示。
　　面对千兆以太网的电缆选择
　　千兆以太网可以与端点PSE一同工作，但不能采用中跨式PSE，因为它把CAT-5电缆中的所有四对线都用于数据传输。与之相比，10BASE-T 和 100BASE-TX 只用两对线传输数据（线对1-2和3-6），留下的空闲线对（4-5和7-8）可以引入中跨式电源。因此，为了给千兆以太网提供线路供电，就需要端点 PSE 交换机。
　　IEEE 802.3af支持CAT-3电缆，因为它最初用于10BASE-T系统。但是，为了最大限度地保证新网络部署中信号的完整性，并且考虑到每次电缆铺设一般有10年的使用期，我们推荐使用尽可能高等级的以太网电缆（CAT-5e 或 CAT-6）。千兆以太网（具体讲是 1000BASE-T）需要CAT-5电缆，但有些使用CAT-5的应用以及千兆以太网交换机已经接近其最低限度的边缘。因此，最新的 1000BASE-TX 标准要求使用 CAT-6 电缆，而最初的1000BASE-T标准要求使用CAT-5电缆。
　　检测PD
　　当PSE连接到以太网上时，PSE必须检测每个以太网设备是否需要供电。因此，PD必须表现出与老式以太网设备不同的特征。在检测时，PSE进行的是V-I测量，同时用一个 2.7V至10.1V的限流电压对信号线进行探测。表 1 列出了作为一个有效PD在检测时所必备的标准。所允许的1.9V偏差是通常用于控制电压极性的二极管桥路产生的。由于PD必须向后兼容于中跨式PSE应用，所以每个PD需要两个这样的二极管桥路（见图3）。10μA的电流偏移通常是由于PD内的泄漏引起的。表2列出了另一个标准集，任何没有通过这个标准的以太网设备都是无效的PD。
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　　PD 的功率分级
　　推动电源与以太网相结合的最早动力是语音 IP电话(VoIP)。因为有非常多的以太网设备（RFID阅读器、PDA充电器、移动电话甚至笔记本电脑等）可以采用这种方便的供电方式，因此 IEEE 802.3af标准包括了一个可选的特性，名为功率分级(Power Classification)，它可以让PSE更准确地管理功率预算。表3列出了一台 PD 可以提供的不同功率等级(Power Classes)，以及各自相应的分级标志(Classification Signatures)。



　　为实现可选的功率分级方法，PSE先施加一个14.5V至20.5V的探测电压。PD发出一个标志（分级电流）作为回应，该标志向PSE指示PD可以消耗的最大功率。这一信息使PSE交换机在任何时候都能管理提供给所连接PD的最大功率。你可以通过选择一个适当的PSE控制器IC，实现另一个IEEE 802.3af标准以外的功能，即对 PSE 各个端口的输出功率进行硬件的限制。
　　除非网络主管保证所有的PD都不会换成功耗更大的设备，否则有时交换机预计的功率预算会出现超标现象。在这种情况下，PSE 将拒绝为该端口供电，直到PD的功率分级符合要求为止。
　　另一个在突发情况下很灵活的功能就是，PSE可以决定哪个端口优先接受电源，或者当 UPS 或备用发电机快要耗尽能量时决定先断掉哪个端口。这样交换机就可以保持对最重要端口的供电，如火警电话、出入证件阅读机、某些监控摄像头以及接入点，或者其它数据电路。PSE 控制器IC中带有这种故障恢复功能——这可以通过硬件实现或软件编程实现——有助于将紧急情况下的功率预算降到最低程度。此时，应找一个可软件编程的 PSE控制器IC。
　　对断开连接PD的检测
　　在PSE开始为一台PD供电后，它必须监控符合IEEE 802.3af标准的PD“保持供电”(Maintain Power)标志。PSE 还必须检测PD是否已经断开连接。标准定义了检测PD断线的交流和直流方法。例如，我们可以考虑这样一种情况：一台PD从交换机上拔下，马上有一台老式以太网设备插入同一个端口。如果在PD移走后48VDC电源没有及时断开，老式设备就可能损坏。
　　对一台 PD 进行交流阻抗测量一般要比纯直流电阻的测量更准确。一个小的共模交流电压同数据信号和48VDC一起同时沿以太网链路传递下去。然后你就可以测量交流电流，并计算各端口的阻抗，该阻抗值应小于 26.25kΩ（在 PD 未拔出的情况下）。这个交流电压的频率必须在1MHz和100MHz之间。有关断线检测交、直流方法的更多细节，设计者应查阅 IEEE 802.3af标准。无论采用哪种方法，测量与随后中止供电的速度都要足够快。
　　芯片中的先进特性
　　在所有已面市的多端口PSE芯片中，最常见的是可控制四端口线上电源的PSE控制器。可以寻找那些带I2C兼容的串行接口，带有可编程寄存器，便于配合 MCU使用。多工作模式的优势对于紧急事件更显重要。
　　举例来说，Maxim的MAX5935提供自动、半自动、手动、关断以及调试等运行模式。自动模式可以使器件在没有软件管理的情况下运行。半自动模式（根据请求）对连接到一个端口上的设备进行不间断的检测与分级，但只在软件指定的情况下才为该端口供电。手动模式在系统诊断时非常有用，可以通过软件实现对设备完全的控制。关断模式终止所有的活动，切断各端口的电源。最后，调试模式可以通过设备状态机的精细步进，作详细的系统诊断。

图 3，由于千兆PoE网络连接使用所有四个线对来传输数据，不能用中跨PSE方法来为PD供电。100BASE-TX和10BASE-T的回退模式照例可以用于数据传输。所以，在千兆以太网上运行的PD必须由一个端点PSE交换机供电。

　　图3是PoE系统设计的一个实例，这个简化的框图演示了使用千兆以太网PSE与PD的连接。由于千兆以太网不能引入中跨式电源，所以 100/10M 以太网模式也只能连接到一个端点PSE交换机上（MAX5940 PD接口控制器不需要二极管桥，但也可以在需要时带二极管桥工作）。今天的PD接口控制器IC（如MAX5941和MAX5942）包括一个脉冲宽度调制(PWM)控制器，虽然PD一般都包括一个 DC/DC 变换器。