对以太网供电（PoE）技术的研究

胡 云（重庆电子工程职业学院计算机应用系，重庆 401331）

0 引 言

无线电话及网络摄像头等终端设备通常数量众多,安装位置特殊,为其供电相对困难，其实施部署需要增加供电及安装成本。如采用以太网供电(Power over Ethernet，PoE) 这项创新的技术，通过CAT 5/5e/6类非屏蔽双绞线，对网络终端设备既传输数据又提供直流供电，将极大地减少部署终端设备的电源和管理成本。PoE不仅对于那些需要用电、但电源并不方便获取的设备特别有帮助，而且一般的终端设备也可以从这项技术中获益。

1 PoE系统的组成

IEEE（美国电气电子工程师协会）于2003年6月批准了PoE标准－IEEE 802.3af，该标准规范了PoE技术[1]。在PoE系统中，提供电源的设备被称为供电设备(Power Sourcing Equipment，PSE)，而使用电源的设备称为受电设备(Powered Device，PD)。从PSE到PD的供电是利用5/5e/ 6类非屏蔽双绞线电缆，有A和B两种模式。模式A采用双绞线电缆中的1、2、3、6四根数据线(1、2线为发送数据线，3、6线为接收数据线)传输供电，模式B则采用双绞线电缆中的4、5、7、8四根空闲线来传输供电。

PoE主要应用在为IP电话机、无线局域网接入点（AP）、网络摄像机、网络图像采集设备以及其他一些基于IP的终端传输数据信号设备的供电。通常，一个IP电话机的功耗约3～5W，一个无线局域网接入点（AP）的功耗约6～12W。一个网络摄像机的功耗约10～12W。图1是以太网供电的示意图。

图1 以太网供电示意图

2 两种类型的PSE

PoE有两种类型的PSE，一种为端接式PSE(Endpoint PSE)，另一种为中跨式PSE (Mid-span PSE)。

（1）端接式PSE

端接式PSE内置于PoE交换机或其它网络交换设备中。一般一台设备提供一定数量的PoE端口。它采用模式A或模式B传输供电，并可以和10BASE-T、100 BASE-TX 或1000BASE-T 数据传输兼容。

端接式PSE一直受到以太网交换机对输送电力容量的限制。如果一个24端口的PoE交换机在每个端口都提供15.4W的输出功率，那么整个PoE交换机要求提供高达370W的输出功率，这会导致整个交换机过热的问题。

（2）中跨式PSE

在现有网络中的以太网交换机不支持PoE，而终端设备又需要PoE时，可以使用中跨式PSE供电。图2显示了一款中跨式PSE，也称电源输入器。它有两个RJ-45接口，一个是数据输入口，使用双绞线电缆连接至不具有PoE功能的网络交换设备（如非PoE交换机）；而另一个是数据和电源共用输出口，用双绞线电缆连接至用电设备(PD)。中跨式PSE采用模式B供电。

图2 中跨式PSE（左是前视图；右是后视图）

图3 多路中间跨接式PSE的应用连接

实际应用中，一些设备厂商还提供有多路端口的中跨式 ，可以同时为多路PD供电。如图3所示的是多路中间跨接式PSE的应用连接[2]。中间跨接式PoE技术在提供多路高功率的电力的同时不会引起交换机的过热和数据丢失等网络问题。

3 PSE的工作原理

PoE的主要设备是PSE，它负责对PD的检测、分级、上电、 断路检测等功能[3]。一旦当某个PD被加载，PSE将立即检测到，并将在设备被移开时切断电源。PSE还提供过流保护，以防止自己和PD遭受损坏。

3.1 检测

PSE向线路供电之前，它是用一个较低的电压来检查25kΩ特征电阻，以避免将48V电压加给非兼容PoE的网络设备，而对其造成危害。在加电之前，PSE首先输出2.8V～10V的探测电压去侦测是否有PD接入，具体实施时是将2.8V～10V之间的两个电压（间隔在1V或以上）送到网络链路，然后根据得到的两个不同的电流值运算出电阻RPD（ΔV/ΔI）进行比较，通常我们将此方法称为两点检测法。如果检测到的电阻值在12～23.75kΩ 或在26.25～45kΩ，PSE 将会正确检测到PD，但并不认为PD在申请电源，当然也不会向PD输送电源；而如果相应的电阻值小于12kΩ或者大于45kΩ，PSE将根本不会正确识别PD。

当PSE在PD端口处用2.7V～10.1V的电压侦测时，PD必须具有表1所示的输入特性。

表1 IEEE802.3af对PD侦测特征的规定

3.2 分级

由于PD种类众多，需要的电源功率也存在很大差别，所以PSE一旦侦测到有效的PD，接下来会进行PD功率分级操作。在这一阶段，PSE会向链路馈送一个15.5V～20.5V的探测电压，同时检测链路上的电流。此时，PD的一个分级电阻被串联进链路中，该分级电阻的大小会直接改变整个链路的电流值。PD通过从线上吸收一个恒定电流(分级特征信号)来向PSE表明自己所需的最大功率，PSE测量这个电流以确定PD属于哪个功率级别。分级期间使用的电流必须限制到100mA内，以避免损坏失效的PD，而且它的连接时间不能超过75ms，以对PD功耗加以控制。

分级操作向PSE提供PD正常工作时需要的最大功率信息，这样可以方便PSE对PD进行电源管理。PD的电源级别有0-4级，默认情况下是0级，在表2[4]中详细的列出了几种级别的区分标志。

表2 IEEE802.3af对PD分级的规定

3.3 供电

电流的大小来判断PD是否在线。当电流在给定时间tdis(300～400ms)内保持低于阈值Imin(5～10mA)，PSE就认为PD不存在，从而切断电源。这种方法的缺点就是，当PD工作在低功耗模式时，为避免掉线PD必须周期性地吸取一定的电流。

（2）AC断路检测法

AC断路检测法是PSE通过检测端口的阻抗来检测PD的存在。当没有设备连接到PSE时，端口应该是高阻抗，可能达到几MΩ；而当接有PD时，端口的阻抗会小于26.5kΩ；如果PD消耗大量功率，那么阻抗通常会更低。

在获知到PD的确切电源功率级别后，PSE会将馈送电压升高，开始为PD供电。PD就会从PSE获得一个44V到57V的电压[5]。供电期间，PSE还要对每个端口的供电情况进行监视，提供浪涌电流限制、过压保护以及欠压锁定等。这时PD要遵守下列几条规定：

（1）在端口电压升到30V以前，它不应该消耗太大的负载电流，以避免与分级特征信号互相干扰；

（2）当电压达到42V时，它必须处于完全工作状态。工作状态时PD端口电压应该在36～57V，而当PD的端口电压跌落到30～36V时，PD应该关断端口。

（3）PD工作时不能连续消耗350mA及以上电流或12.95W及以上功率，短时内允许有400mA的浪涌电流。

（4）PD的输入电容必须低于180μF，以便在电源接通时将浪涌电流保持在合理的水平；如果输入电容大180μF，PD就要主动限制浪涌电流，使它低于400mA。

4 IEEE802.3at采用新的分级机制

2009年发布的IEEE802.3at标准旨在应对能耗需求的增高，可以支持PSE最大输出功率30W，给单个PD提供高达25W的输入功率。PoE将惠及以前不符合标准PoE功率限制的大范围产品[5]。

IEEE802.3at采用了新的Layer2分级机制：硬件分级机制和数据层机制，实现了802.3af PD可以由802.3at PSE供电，而且802.3at PD能够知道是否能得到所需的全部功率。每种组合都需要有明确定义和一致的工作规则，这样保证了互操作性。新的Layer2分级机制对PSE而言是可选的，但是要求PD实施。图4显示了IEEE802.3at中使用的分级方法。

4.1 硬件分级机制

3.4 断路检测

PSE不能向非PD设备传输电力，同样PSE也不能在PD已经断开后还使电源处于接通状态，因为供电电缆有可能会插在一个非PD设备上，或引起缆线的短接。IEEE802.3af标准规定了两种方法让PSE检测PD是否断开，即DC断路检测法和AC断路检测法，不同的芯片供应商根据系统的实际情况选择最适合他们系统的检测方法。

（1）DC断路检测法

DC断路检测法是根据从PSE流向PD的直流

硬件分级机制被称为“两事件分级”，并涉及那些基本上重复两次802.3af电压探测的PSE。每次对PD的电压探测都同时引起一个被吸收的电流脉冲(参见图4)，该电流脉冲对应一个特定的功率级。首先，PSE在数据或备用线上确定一个15.5V～20.5V的电压脉冲。PD以高达40mA的电流响应，告诉PSE它是4个功率级中的哪一个。接着PSE发出一个至PD的双脉冲信号，告诉PD所连接的PSE确实是一个大功率PSE，能够提供802.3at规定的较高功率。802.3at PD以4级电流响应，告诉PSE它是一个大功率PD，需要25.5W功率。在802.3af中，Layer1分级方法是可选的方法，供PSE查询PD，以确定PD的功率需求。在802.3at规范中，命令PSE执行这种分级方法。

4.2 数据层分级

图4 PoE+ Layer1和Layer2分级机制

802.3 at还定义了一个新的数据层分级，称为“链路层发现协议（LLDP）”，用于PSE和PD之间的通信。一旦链路受电，PSE和PD将能够采用LLDP来确定PD的功率需求。采用LLDP后，允许PSE重复查询PD，以了解PD状态及其功率需求。有了这个机制，就有可能实现动态功率分配，PSE可以不断向PD发布新级别的功率，PD也可以提出并在随后放弃功率请求。随着PoE系统向更加环保的电源环境发展，这种新的动态功率分配将会成为一种重要功能。

5 超越IEEE802.3at标准的应用

随着新的技术需求，人们需要更高功率的PoE。新的PoE产品如今可以支持的功率已高于现有IEEE802.3af/at标准的供电，扩大了具备PoE功能的产品和设备数量。高功率的中跨和端跨设备，支持多重射频无线访问节点、云台变焦监控摄像头和流媒体视频显示IP电话的供电应用。

PoE显示器方案也是在PoE功率提高中获得应用的，功能更强大的客户端也成为可能，若采用节能型的移动芯片方案，甚至能摆脱瘦终端的性能局限，直接驱动一台桌面PC。在2010年深圳高交会上，AOC展出了“不开机就上网”的云计算液晶显示器[6]，通过一个网线端口就能上网，其会将一些数据处理工作交给云端完成，然后再将结果返回到显示器上。在这款云计算液晶显示器上，完全看不到传统显示器的尾巴——电源线。云计算液晶显示器的出现，可以视为显示器摆脱电源线束缚的热身运动。

6 结语

随着网络应用的不断延伸，各种网络应用设备日益增多，PoE技术将给众多受电设备的安装和使用带来极大的方便。作为网络化电源管理的一种应用，PoE供电功率的提升使该技术能够更广泛地应用于各种采用以太网进行连接的设备，并促进了网络化电源管理技术在其他非以太网络设备中的应用，从而使智能网络化电源管理技术的应用前景更加广阔。

[1 ] IEEE Std 802. 3af-2003[EB/OL]. http://standards.

ieee.org/getieee802/802.3.html.2003-6-18.

[2] Tim Peberdy. PoE以太网供电技术 [J].电子产品世界，2010，12:62-63.

[3] 刘佳,黄华.兼容IEEE802.3af的高功率以太网供电PD端设计[J]. 现代电子技术，2008,5:160-164.

[4] 应进平.以太网供电技术的研究与应用[J].现代传输，2006,3:85-87.

[5] 安森美半导体.集成IEEE802.3at PoE-PD接口控制器[EB/OL]. http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=NCP1094.

[6] 和讯百科.PoE供电显示器 [EB/OL]. http://wiki.hexun.com/view/15625.html