PoE供电技术与应用
一、概述
隨著網絡中IP電話、網絡視頻監控以及無線以太網設備的日益廣泛，通過以太網本身提供電力支持的要求也越來越迫切。多數情況下，終端設備需要直流供電，而終端設備通常安裝在距離地面比較高的天花板或室外，附近很難有合適的電源插座，即使有插座，終端設備需要的交直流轉換器也難有位置安置。另外，在很多大型的局域網應用中，管理員同時需要管理多個終端設備，這些設備需要統一的供電和統一的管理，由于供電位置的限制，給供電管理帶來極大的不便，以太網供電PoE則正好解決了這個問題。PoE是一種有線以太網供電技術，使用于數據傳輸的網線同時具備直流供電的能力，有效解決IP電話、無線AP、便攜設備充電器、刷卡機、攝像頭、數據采集等終端的集中式電源供電。
二、定義
PoE (Power Over Ethernet)指的是在現有的以太網Cat.5布線基礎架構不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機等）傳輸數據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術（網線傳輸電力）。 PoE也被稱為基于局域網的供電系統(POL， Power over LAN )或有源以太網( Active Ethernet)，有時也被簡稱為以太網供電，這是利用現存標準以太網傳輸電纜的同時傳送數據和電功率的最新標準規范，并保持了與現存以太網系統和用戶的兼容性。為了規范和促進PoE供電技術的發展，解決不同廠家供電和受電設備之間的適配性問題，IEEE標準委員會先后發布了三個PoE標準：IEEE 802.3af標準、IEEE 802.3at標準、IEEE 802.3bt標準。 IEEE 802.3af（我們常稱其為Type1）對應的功率等級為PSE=15.4w，PD=13w； IEEE 802.3at（我們常稱其為Type2）對應的功率等級為PSE=30w， PD=25.5w； IEEE 802.3bt（Type4）對應的功率等級為PSE=90w，PD=71w。
每個PoE接口輸出電壓是典型值是48V。PoE接口可工作在802.3af和802.3at兩種標準，工作在這兩種標準僅僅是最大輸出功率不同：PoE接口工作在802.3af標準時，最大輸出15.4W的功率，PoE接口工作在802.3at標準時，最大輸出30W的功率。PoE接口會根據PD的最大功耗來選擇工作在哪種標準，當PD的最大功率小于15.4W時，PoE接口自動地工作在802.3af標準下；當PD的最大功率大于15.4W時，PoE接口自動地工作在802.3at標準下。
PoE供電系統包括如下兩個設備角色：
- 供電設備PSE（Power-sourcing Equipment）：通過以太網給受電設備供電的PoE設備，提供檢測、分析、智能功率管理等功能，例如：PoE交換機。
- 受電設備PD（Powered Device）：如無線AP、便攜設備充電器、刷卡機、攝像頭等受電方設備。按照是否符合IEEE標準，PD分為標準PD和非標準PD。
PoE供電系統中有三個角色：
- 角色1 – PoE電源模塊：這個角色負責為角色3提供源源不斷的電能；
- 角色2 – 供電設備PSE(Power-sourcingEquipment)：這個角色負責“怎么樣”去給角色3供電；
- 角色3 – 受電設備PD(PoweredDevice)：這個角色負責享受前兩個角色的服務。那些通信終端就屬于這種角色。
PoE供電線纜
PoE供電的安全傳輸距離100米，建議使用超五類全銅網線以上線纜。PoE IEEE 802.3af標準要求PSE輸出端口的輸出功率為15.4W或者15.5W， 傳輸100米后的PD設備接受功率必須不小于12.95W，按照802.3af典型電流值為350mA計算，100米網線的電阻必須為(15.4-12.95W)/350mA = 7歐姆或者(15.5-12.95)/350mA = 7.29歐姆。
而標準網線是天然就滿足這個要求的，IEEE 802.3af PoE供電標準本身就是以標準網線測定的。而之所以會產生PoE供電網線要求這個問題，是因為市面上的很多網線都是非標準網線，不是嚴格按照標準網線的要求來生產的。市面的非標準網線材質主要有銅包鋼、銅包鋁、銅包鐵等，這些網線的阻值大，都不適合PoE供電。PoE供電必須使用無氧銅材質的網線，即標準網線。PoE供電技術對線材的要求高，建議在監控項目中，千萬不要在線材上省成本，得不償失。
功率等級說明
IEEE 802.3af PoE 標準允許通過以太網電纜為用電設備（PD）提供高達 12.95W 的電力，同時符合安全特低電壓(SELV)要求。根據 IEEE 802.3af 標準，PD 可按所需功率分為四個不同的級別（第五個等級 Class 4 是為更高的功率的新標準預留的）。 Class 0 設備需要的最高工作功率為 0~12.95W；Class 1 設備需要的工作功率介于 0~3.84W；Class 2 設備需要的工作功率介于 3.85W 和 6.49W 之間；Class 3 設備的功率范圍則介于 6.5～12.95W 之間。設計者可以根據功率要求將他們的設備指定為特定的級別。低成本解決方案可以使用一般的默認級別指定(Class 0)，表示 PD 最高需要 12.95W 的工作功率。
三、特點
1.特性參數
IEEE802.3af 標準供電系統的主要供電特性參數為：
電壓在 44～57V 之間，典型值為 48V；
允許最大電流為 550mA，最大啟動電流為 500mA；
典型工作電流為 10～350mA，超載檢測電流為 350～500mA；
在空載條件下，最大需要電流為 5mA；
為 PD 設備提供 3.84～12.95W 五個等級的電功率請求，最大不超過 13W。
IEEE802.3at 標準供電系統的主要供電特性參數為：
直流電壓在 50～57V 之間，典型值為 50V；
典型工作電流為 10～600mA，典型的輸出功率：30W；
受電設備 PD 支持 Class4 的分級；
IEEE 802.3at 委員會暫時將 PSE 輸出電壓定在 50 到 57V。該委員會還規定來回總長為 100 米的線纜，其最大阻抗不能超過 12.5Ω。在該電壓、電阻條件下，功率等于：
PSE 功率的最小值＝0.72A×50V＝36W
PD 功率的最小值＝0.72A×41V＝29.5W
電纜損耗最大值＝I2R＝0.72×0.72×12.5＝6.5W
- PoE 標準
協議號為 IEEE 802.3af，這是原始 PoE 標準。從以太網端口輸出 15.4W 的電力，距離交換機 100 米的輸出功率為 12.95W。 - PoE+ 標準
協議號為 IEEE 802.3at，PoE+ 將以太網端口輸出功率翻倍?？商峁?30W 電力輸出，距離交換機 100 米的輸出功率為 25.5W。 - PoE++ 標準
也有人稱之為Ultra PoE、UPoE（Ultra PoE 之縮寫，區別于Universal PoE 的 UPoE，后者是一個私有協議）或者 4PPoE 。雖然名字有所不同，但其指代的都是新近獲批的一項 PoE 協議 IEEE 802.3bt。此標準提供每端口 60W 至 90W 電力輸出。在 60W 標準下，距離交換機 100M 的輸出功率為 51W。
2.具體優勢
- 一臺PoE設備可以同時為多個終端設備供電，實現電源集中供電的同時，還可以進行電源備份；
- 符合國際標準，使用全球統一的RJ45電源接口，可保證與不同廠商的設備對接；
- PoE供電系統終端設備不需外接電源，只需要安裝一根網線，簡單而且節省空間，并且設備可隨意移動；
- 節約成本，許多帶電設備，例如視頻監視攝像機等，都需要安裝在難以部署AC電源的地方，PoE使其不再需要昂貴電源和安裝電源所耗費的時間，節省了費用和時間；
- 像數據傳輸一樣，PoE可以通過使用簡單網管協議（SNMP）來監督和控制該設備；
- PoE供電端設備只會為需要供電的設備供電，只有連接了需要供電的設備，以太網電纜才會有電壓存在，因而消除了線路上漏電的風險；
- 一個單一的UPS就可以提供相關所有設備在斷電時的供電；
- 用戶可以自動、安全地在網絡上混用原有設備和PoE設備，這些設備能夠與現有以太網電纜共存；
- 使網絡設備便于管理，當遠端設備與網絡相連后，能夠遠程控制、重配或重設；
- 在無線局域網中，PoE可以簡化射頻測試任務，接入點能夠被輕松地移動和接入；
- 減少后期的維護和維修成本；
四、原理
1.供電模式
PoE的兩種供電方案——PoE標準為使用以太網的傳輸電纜輸送直流電到PoE兼容的設備定義了兩種方法：
一種稱作“中間跨接法”(Mid-Span)，使用以太網電纜中沒有被使用的空閑線對來傳輸直流電（即1236線序走數據，4578線序走電力)，相應的EndpointPSE支持PoE功能的以太網交換機、路由器、集線器或其他網絡交換設備。
另一種方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在傳輸數據所用的芯線上同時傳輸直流電，其輸電采用與以太網數據信號不同的頻率（即1236線序同時走數據和電力）。MidspanPSE是一個專門的電源管理設備，通常和交換機放在一起。它對應每個端口有兩個RJ45插孔，一個用短線連接至交換機，另一個連接遠端設備。可以預見，End-Span會迅速得到推廣，這是由于以太網數據與輸電采用公用線對，因而省去了需要設置獨立輸電的專用線，這對于僅有8芯的電纜和相配套的標準RJ-45插座意義特別重大。
應用空閑腳供電時，4、5 腳連接為正極，7、8 腳連接為負極。應用數據腳供電時，將 DC 電源加在傳輸變壓器的中點，不影響數據的傳輸。在這種方式下線對 1、2 和線對 3、6 可以為任意極性。標準不允許同時應用以上兩種情況。電源提供設備 PSE 只能提供一種用法，但是電源應用設備 PD 必須能夠同時適應兩種情況。該標準規定供電電源通常是 48V、13W 的。PD 設備提供 48V 到低電壓的轉換是較容易的，但同時應有 1500V 的絕緣安全電壓。PoE 標準還規范了傳送電功率應使用的非屏蔽雙絞線對電纜，即 3、5、5e 或 6 類電纜。明確了與其一起工作的現存電纜設施不需要任何改動，這其中包括 3、5、5e 或 6 類電纜、各種短接線與接線板、電源插座引線和連接的硬件等。PoE 標準與 IEEE 802.3 標準系列兼容。
2.供電過程
PoE供電就是通過以太網供電，這種方式僅憑借那根連接通信終端的網線就可完成為它們供電。PoE提供的是典型的48V直流電，供電距離最長可達100m。一個完整的PoE系統包括供電端設備(PSE, Power Sourcing Equipment)和受電端設備(PD, Power Device)兩部分。PSE設備是為以太網客戶端設備供電的設備，同時也是整個PoE以太網供電過程的管理者。而PD設備是接受供電的PSE負載，即PoE系統的客戶端（受電端）。
提示：Midspan 設備：PoE 功能在交換機或其他網絡設備外；Endpoint 設備：PoE 功能集成到交換機或其他網絡設備內。
- 檢測PD：PSE在端口周期性輸出電流受限的小電壓，用以檢測PD設備的存在。如果檢測到特定阻值的電阻，說明線纜終端連接著支持IEEE 802.3af標準或IEEE 802.3at標準的受電端設備（電阻值在19kΩ～26.5kΩ的特定電阻，通常的小電壓為2.7V～10.1V，檢測周期為2秒）。
- 供電能力協商即PD設備分類過程：當檢測到受電端設備PD之后，PSE對PD進行分類，并協商供電功率。供電能力協商不僅可以通過解析PSE與PD發送的電阻實現的，還可以通過鏈路層發現協議LLDP（Link Layer Discovery Protocol）協議發現和通告供電能力進行協商。
- 開始供電：在啟動期內(一般小于15μs)，PSE設備開始從低電壓向PD設備供電，直至提供48V的直流電壓。
- 正常供電：電壓達到48V之后，PSE為PD設備提供穩定可靠48V的直流電，PD設備功率消耗不超過PSE最大輸出功率。
- 斷電：供電過程中，PSE會不斷監測PD電流輸入，當PD電流消耗下降到最低值以下，或電流激增，例如拔下設備或遇到PD設備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等，PSE會斷開電源，并重復檢測過程
3.具體實例
TPS23753A 具有增強 ESD 穿越功能的 IEEE 802.3-2005 PoE 接口和隔離式轉換控制器，下圖為TPS23753A上電的實際過程波形，芯片進行4點檢測，隨后進行了分級和上電。
信號檢測階段：發送一個測試電壓給在網設備以探測受電設備中的一個 24.9kΩ共模電阻。測試信號開始為 2.7V，然后提升到 10V，這將有助于補償 Cat-5 電纜自身阻抗帶來的損失。因為這種電纜最長可達 100m。如果 PSE 檢測到來自 PD 的適當阻抗特征(24.9kΩ)，它便會繼續提升電壓。如果檢測不到特征阻抗，PSE 將不會為電纜加電。受電設備電路中的齊納二極管會保證系統其余部分不受測試信號的干擾。（TI 芯片是4點檢測相對2點檢測可靠性更高一些）
分段階段：檢測之后，PSE會加14.5v~20.5v的電壓在PD端，通過檢測CLS電阻上的電流判斷PD的功率等級。
供電階段：檢測和分級都正常之后會進行上電。
IEEE 802.3bt 因為功率比IEEE 802.3at大，分級會有所不同，會有兩個分級電阻，并進行5次分級檢測來實現90w的分級。
PD方案主要由兩部分組成，PD握手芯片和反激/正激控制電路。目前TI的在市面上應用的PD方案有很多，有集成的方案：如TPS23755, TPS23753A, TPS23756等。其中TPS23755是TI最新面市的IEEE 802.3af標準芯片，集成了PD握手芯片，反激控制器和功率開關管。使用原邊反饋控制模式有效降低了副邊反饋回路的成本和PCB板的面積。同時使用CCM控制模式，相對于常規DCM控制，明顯提高了系統的EMI 性能，可以幫助客戶省去輸入端的共模濾波電感有效降低系統成本和尺寸。雖然使用原邊反饋控制方式，依然可以達到較好的負載調整率。因此TPS23755很適合小功率小體積低成本的IPC應用。TPS23753A 和TPS23756分別是針對IEEE 802.3af 和IEEE 802.3at標準的副邊反饋方案。
TPS2378+LM5155 是符合IEEE 802.3at應用的主流方案，LM5155是TI 2018年最新面市的反激控制器方案，有很多有特點的功能，比如輸出短路保護的hiccup 功能，比如過流點補償功能以實現不同輸入電壓下輸出限流點不變，同時極低的電流采樣電壓很好解決了采樣電阻發熱的問題。 TPS2373-4+UCC2897A是符合IEEE 802.3bt應用的主流方案。TPS2373-4是符合IEEE 802.3bt標準的PD芯片。UCC2897A設計的有緣鉗位正激電路可以實現90W的功率輸出（可以參考TI 參考設計PMP6547）。另如果需要輸出短路hiccup 功能，也可以考慮使用LM5025A替換UCC2897A。這種大功率的方案主要應用于大功率球機等產品中。總體來看，TI的PD產品在安防行業的應用還是相當廣泛的。大家可以根據自己的需求選擇TI相應的方案進行設計。
五、應用
1.PoE供電在安防系統中的應用
2.PoE供電在無線網絡中的應用
PoE交換機可以部署在匯聚交換機和無線AP之間，或者PON網絡中ONU和無線AP之間的位置。通過選擇8口、16口、24口不同端口密度的PoE交換機，可以部署在不同用戶密度的熱點區域。其中匯聚交換機+PoE交換機的組網模式非常適合部署在用戶密集的區域，目前在高校的WLAN項目建設中，多采用此方式。PoE交換機解決方案應用范圍廣、部署數量大，是目前很多工程商的主流選擇。被廣泛運用在無線AP和網絡攝像機組網中，方案采用AP+AC的方式便于集中管理，并使用PoE供電節省人力成本。
六、總結
從技術角度來講，PoE的技術發展多年，目前已經處于非常成熟的階段。但由于目前監控市場迫于成本壓力，選用的PoE交換機或者線材品質過于低劣，再或者方案設計本身就不合理，導致采用PoE供電的項目維護的工作量特別大，所以工程商普遍存在PoE供電不穩定的觀點。在數據傳輸量非常大，功率高，且要求全天候不間斷工作的情況下，采用有品質保證的PoE設備和線材是整個系統穩定的保證。
1.PoE不能供電時，如何排查
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首先確定受電設備是否支持PoE供電。不是所有的設備都支持PoE供電的。
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檢查受電設備的功率是否超出了PoE交換機端口供電的最大功率。PoE交換機的端口供電功率有兩種，一種是15.4W，一種是30W。如果用的是15.4W的PoE交換機，受電設備的功率卻大于15.4W，就會出現供電不穩，或者供不了電的。
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檢測PoE交換機在滿負載的工作狀態下，供電功率是否超出了供電總功率。
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PoE交換機除了單個的端口供電功率，還有個總供電功率。市面上有的8口PoE交換機總供電功率是90W，單個端口供電功率是15.4W。如果每個端口的供電功率都使用到頂峰，8個端口就是8×15.4=123.2W。這樣就超出了本臺交換機的總功率，供電自然就會出現問題。所以使用PoE交換機要有個妥善的搭配，功率大的受電設備和功率小的搭配起來使用。
2.PoE供電技術有哪些不足之處
- PoE的供電距離只有100米左右，這是由數據信號的傳輸距離決定的；但是現在市場上有PoE信號延長器產品可以幫助延長傳輸距離。
- 作為一種最常用的PoE供電設備，一臺PoE交換機一般會同時給多個PoE受電設備供電，如果PoE交換機出現故障，會導致所有PoE受電設備無法工作；因此，在部署PoE網絡時，一定要選質量可靠的交換機，并考慮將PoE交換機接入到UPS（不間斷電源）系統中。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的PoE供电技术与应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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