以太网供电技术标准综述

摘要：IEEE 802.3af规范定义了一种允许通过以太网线缆输送DC电源的方法。首先简要介绍以太网供电系统的构成，详细介绍以太网供电设备及其功能。然后，阐述受电设备及其特性，给出一些可用的芯片供设计时参考。 关键词：以太网供电 IEEE802.3af 供电设备 受电设备 引 言 　　1999年，通过以太网电缆提供电源已经不是什么新理念。在2003年6月IEEE最终批准了802.3af标准。该标准定义了一种允许通过以太网在传输数据的同时输送DC电源的方法。它能安全、可靠地将以太网供电(PoE，Power over Ethernet)技术引入现有的网络基础设施中，并且和原有的网络设备相兼容；它最大能提供大约13W的功率。这样小型网络设备就可通过以太网连接供电而无需使用墙上的AC电源插座，从而大大简化了布线，降低了网络基础设施的建设成本。另外，通过UPS备份的局域网供电，还可以使网络设备免受电网掉电的影响，像传统电话那样，在停电的时候仍然可以运转。 1 PoE系统的构成 　　在PoE系统中，提供电源的设备被称为供电设备PSE(Power Sourcing Equipment)，而使用电源的设备称为受电设备PD(Powered Device)。PSE负责将电源注入以太网线，并实施功率的规划和管理。可以采用两种类型的PSE：一种为“Endpoint PSE”，另一种为“Mid-span PSE”。Endpoint PSE就是支持PoE的以太网交换机、路由器、集线器或其它网络交换设备。mid-span PSE是用来将以太网供电功能添加到现有网络的一种设备。它专门用于电源管理，并通常和交换机放在一起，和交换机一样也有多路输入输出RJ-45端口，对应每路的两个RJ-45插孔，一个用短线连接至不具有以太网供电功能的网络交换设备，作为数据输入口；而另一个连接到支持802.3af供电的远端用电设备(PD)，作为数据/电源双用的RJ-45输出口。mid-span设备通常通过未使用的4/5和7/8线对来承载供电，剩下的部分预留给数据传输。电源在机箱内被注入网线而信号未作任何调整。PD则有多种形式，如IP电话机、网络摄影机、无线桥接器、收银机、安全存取与监测系统等。实际上，任何需要数据连接并能在13W或更低功率下工作的设备都可无需AC电源或电池供电，仅从RJ-45插座就能够得到相应的电力。图1给出了采用Mid-span的PoE系统工作示意。 　　　　　　 2 供电设备PSE 　　PSE负责PoE系统的电源管理。它连续监视网络上PD设备的连接状况，并根据PD的功率要求，将适当的电力通过五类电缆中的信号线对(Endpoint PSE)或备用线对(Mid-span PSE)输送到PD，并在PD下线时切断电源。 　　Endpoint PSEs 支持10BASE-T、100BASE-TX 和1000BASE-T网络。Endpoint的PoE系统中的PSE可以在信号线对之间或备用线对之间(但不是两者同时)提供标称48V的DC电源。其中在信号线对之间传输电力时，48V电源通过向耦合变压器的中间抽头供电以共模方式施加在双绞线上，如图2所示，对于差分数据信号没有影响，并且由于耦合变压器的隔离，也不会对数据收发器产生影响。Mid-span PSEs只支持10BASE-T和100BASE-TX网络，而对1000BASE-T网络的支持802.3af标准目前还未定义。Mid-span PSE在备用线对之间提供48V的DC电源。Mid-span PSE较Endpoint PSE需要额外的线缆，占用了更多的空间，并增加了系统成本。 　　 　　在允许PSE向线路供电之前，它必须用一个有限功率的测试源来检查特征电阻，以避免将48V电源加给非兼容PoE的网络设备，对其造成危害。在加电之前，PSE首先用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再作运算(ΔV/ΔI )。为了便于PSE识别，IEEE802.3af对于PD在侦测过程中的表现(特征)作了规定，如表1所列。 　　　　　　　　 　　一旦侦测到有效的PD，PSE需要了解PD的用电量，便于系统对电源的管理。这个过程称为PD分级(IEEE标准规定此过程是可选的)。这一阶段，PSE利用一个 15.5V"20.5V的探测电压来检测PD的功率级别。通过从线上吸收一个恒定电流——分级特征信号，PD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PSE电压源必须限制到100mA，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。表2列出了分级情况及其恒流特征。 　　　　　　　　 　　成功侦测和分级后，PSE就可向PD供电了。供电期间，PSE还要对每个端口的供电情况进行监视，提供欠压和过流保护。 　　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，或引起线缆的短接。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了最适合他们系统的检测方法。 　　DC断路法根据从PSE流向PD的直流电流大小，判断PD是否在线。当电流在给定时间tDIS (300ms"400ms) 内保持低于阈值IMIN (5mA"10mA )时，PSE就认为PD不存在，从而切断电源。这种方法的缺点是，当PD工作在低功耗模式时，为避免掉线，PD必须周期性地从线上吸取一定的电流。AC断路法是测量以太网端口的交流阻抗，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。端口阻抗(ZPORT)通过加电压(VAC)和测量得到的电流(IAC)来决定，即ZPORT = VAC / IAC 。 　　目前已有多家半导体厂商提供了符合IEEE802.3af规格的PSE控制器。这些器件在降低系统成本、提供更高可靠性的同时，也加速了以太网供电的广泛普及。这些控制器为凌特公司(Linear)的LTC4258/59、德州仪器(TI)的TPS2383、以色列PowerDsine公司的 PD64008、美信公司(Maxim)的MAX5922A/B/C及即将上市的MAX5935。其中Linear的LTC4258/59可以对四路以太网供电端口进行管理，具有自主运行(无需处理器干涉)情况下即可按序处理有任务的功能，对每路都可以单独设置其工作模式(自动、半自动、手动、关闭)。 3 受电设备PD 　　首先，PD应能通过信号线或备用线接收电源，通常由二极管对两个电源进行线“或”来实现，因为IEEE规格要求同时只能有一个线对传输电源；同时PD应该能不受电源极性的限制，这通常可以使用整流桥或其它方法来实现自动极性转换。 　　当PSE用2.8V"10V之间的电压侦测时，PD必须具有表1所列的输入特性。PD的输入端口可具有高达1.9V的偏移电压(以容许二极管的压降)和10μA的偏移电流(漏电流)。 　　当PSE用15.5V"20.5V之间的电压侦测时，PD需要通过吸收一定的恒流来表明自己所需要消耗的功率(可选)，所以 PSE 能预算PD的功耗，同时也方便PSE对电源的管理。 　　探测和分级完成后，PD就会从PSE获得一个44V"57V的电压，这时PD要遵守几条规定。在端电压升到30V以前，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；当电压达到42V时，必须处于完全工作状态。工作状态时PD端口电压应该在36V"57V之间，而当PD的端口电压跌落到30V"36V之间时，PD应该关断端口。PD工作时不能连续消耗350mA电流或12.95W功率，短时内允许有400mA的浪涌电流。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；如果输入电容大于180μF，PD就要主动限制浪涌电流，使它低于400mA。最后，PD至少要保持10mA的电流且交流阻抗要维持在26.25kΩ或更少，以避免掉线。 　　为了使PD符合IEEE802.3af标准的要求，简化设计任务，同样几大半导体厂商相继推出了PD接口控制器。可用的接口控制器有德州仪器(TI)的TPS2370/TPS2371/TPS2375，凌特公司(Linear)的LTC4257/ LTC4257-1，美信公司(Maxim)的MAX5940A/MAX5940B、MAX5941A/B、MAX5942A/B，Supertex公司的HV110K4以及Power Integrations公司的DPA423G。其中Maxim的MAX5941A/B、MAX5942A/B和Power Integrations的DPA423G将用于DC/DC转换的PWM控制器也集成在芯片中。利用它们可以实现非常紧凑且高性价比的PD供电电路。 结 语 　　IEEE802.3af标准对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接入点等设备供电的方式进行了规定。随着PoE的实施规模逐渐扩大，今后大量其它的应用可望涌现出来。值得关注的是，它有望推动芯片供应商为笔记本电脑和便携式设备设计耗电量低于12.95W的芯片组，届时RJ-45插口将成为一种通用电源插口，若干年后人们甚至将不记得有过以太网端口不能供电的时代。PowerDsine公司甚至预测今后五年内，企业网络设备的75%以上将由以太网供电。 　　今后可以考虑将PSE电源管理芯片集成到RJ-45内，就如近几年连接器供应商将网络隔离变压器集成到RJ-45内一样。以太网供电技术同时也存在着一些问题，例如在PSE设备端口比较多的情况下，设备需要提供的电源功率会很大。这时系统的散热应该引起足够的重视，否则PSE设备将会是一个大热源。这些都有待今后加以解决。