PoE供电技术与应用

一、概述

随着网络中IP电话、网络视频监控以及无线以太网设备的日益广泛，通过以太网本身提供电力支持的要求也越来越迫切。多数情况下，终端设备需要直流供电，而终端设备通常安装在距离地面比较高的天花板或室外，附近很难有合适的电源插座，即使有插座，终端设备需要的交直流转换器也难有位置安置。另外，在很多大型的局域网应用中，管理员同时需要管理多个终端设备，这些设备需要统一的供电和统一的管理，由于供电位置的限制，给供电管理带来极大的不便，以太网供电PoE则正好解决了这个问题。PoE是一种有线以太网供电技术，使用于数据传输的网线同时具备直流供电的能力，有效解决IP电话、无线AP、便携设备充电器、刷卡机、摄像头、数据采集等终端的集中式电源供电。

二、定义

PoE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术（网线传输电力）。 PoE也被称为基于局域网的供电系统(POL， Power over LAN )或有源以太网( Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。为了规范和促进PoE供电技术的发展，解决不同厂家供电和受电设备之间的适配性问题，IEEE标准委员会先后发布了三个PoE标准：IEEE 802.3af标准、IEEE 802.3at标准、IEEE 802.3bt标准。 IEEE 802.3af（我们常称其为Type1）对应的功率等级为PSE=15.4w，PD=13w； IEEE 802.3at（我们常称其为Type2）对应的功率等级为PSE=30w， PD=25.5w； IEEE 802.3bt（Type4）对应的功率等级为PSE=90w，PD=71w。

每个PoE接口输出电压是典型值是48V。PoE接口可工作在802.3af和802.3at两种标准，工作在这两种标准仅仅是最大输出功率不同：PoE接口工作在802.3af标准时，最大输出15.4W的功率，PoE接口工作在802.3at标准时，最大输出30W的功率。PoE接口会根据PD的最大功耗来选择工作在哪种标准，当PD的最大功率小于15.4W时，PoE接口自动地工作在802.3af标准下；当PD的最大功率大于15.4W时，PoE接口自动地工作在802.3at标准下。

PoE供电系统包括如下两个设备角色：

• 供电设备PSE（Power-sourcing Equipment）：通过以太网给受电设备供电的PoE设备，提供检测、分析、智能功率管理等功能，例如：PoE交换机。
• 受电设备PD（Powered Device）：如无线AP、便携设备充电器、刷卡机、摄像头等受电方设备。按照是否符合IEEE标准，PD分为标准PD和非标准PD。

PoE供电系统中有三个角色：

• 角色1 – PoE电源模块：这个角色负责为角色3提供源源不断的电能；
• 角色2 – 供电设备PSE(Power-sourcingEquipment)：这个角色负责“怎么样”去给角色3供电；
• 角色3 – 受电设备PD(PoweredDevice)：这个角色负责享受前两个角色的服务。那些通信终端就属于这种角色。
  

PoE供电线缆

PoE供电的安全传输距离100米，建议使用超五类全铜网线以上线缆。PoE IEEE 802.3af标准要求PSE输出端口的输出功率为15.4W或者15.5W， 传输100米后的PD设备接受功率必须不小于12.95W，按照802.3af典型电流值为350mA计算，100米网线的电阻必须为(15.4-12.95W)/350mA = 7欧姆或者(15.5-12.95)/350mA = 7.29欧姆。

而标准网线是天然就满足这个要求的，IEEE 802.3af PoE供电标准本身就是以标准网线测定的。而之所以会产生PoE供电网线要求这个问题，是因为市面上的很多网线都是非标准网线，不是严格按照标准网线的要求来生产的。市面的非标准网线材质主要有铜包钢、铜包铝、铜包铁等，这些网线的阻值大，都不适合PoE供电。PoE供电必须使用无氧铜材质的网线，即标准网线。PoE供电技术对线材的要求高，建议在监控项目中，千万不要在线材上省成本，得不偿失。

功率等级说明

IEEE 802.3af PoE 标准允许通过以太网电缆为用电设备（PD）提供高达 12.95W 的电力，同时符合安全特低电压(SELV)要求。根据 IEEE 802.3af 标准，PD 可按所需功率分为四个不同的级别（第五个等级 Class 4 是为更高的功率的新标准预留的）。 Class 0 设备需要的最高工作功率为 0~12.95W；Class 1 设备需要的工作功率介于 0~3.84W；Class 2 设备需要的工作功率介于 3.85W 和 6.49W 之间；Class 3 设备的功率范围则介于 6.5～12.95W 之间。设计者可以根据功率要求将他们的设备指定为特定的级别。低成本解决方案可以使用一般的默认级别指定(Class 0)，表示 PD 最高需要 12.95W 的工作功率。

三、特点

1.特性参数

IEEE802.3af 标准供电系统的主要供电特性参数为：
电压在 44～57V 之间，典型值为 48V；
允许最大电流为 550mA，最大启动电流为 500mA；
典型工作电流为 10～350mA，超载检测电流为 350～500mA；
在空载条件下，最大需要电流为 5mA；
为 PD 设备提供 3.84～12.95W 五个等级的电功率请求，最大不超过 13W。

IEEE802.3at 标准供电系统的主要供电特性参数为：
直流电压在 50～57V 之间，典型值为 50V；
典型工作电流为 10～600mA，典型的输出功率：30W；
受电设备 PD 支持 Class4 的分级；
IEEE 802.3at 委员会暂时将 PSE 输出电压定在 50 到 57V。该委员会还规定来回总长为 100 米的线缆，其最大阻抗不能超过 12.5Ω。在该电压、电阻条件下，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
电缆损耗最大值＝I2R＝0.72×0.72×12.5＝6.5W

IEEE802.3af&IEEE802.3at对比 IEEE 802.3at 与 802.3af 相比，802.3at可输出 2 倍以上的电力，每个端口的输出功率可在 30W 以上，就标准而言，两者在功率、分级上有不同的定义。在 IEEE802.3at 规定，受电设备PD可以最大到 29.95W，PSE 将为其提供 30W 以上的直流电源。

• PoE 标准
  协议号为 IEEE 802.3af，这是原始 PoE 标准。从以太网端口输出 15.4W 的电力，距离交换机 100 米的输出功率为 12.95W。
• PoE+ 标准
  协议号为 IEEE 802.3at，PoE+ 将以太网端口输出功率翻倍。可提供 30W 电力输出，距离交换机 100 米的输出功率为 25.5W。
• PoE++ 标准
  也有人称之为Ultra PoE、UPoE（Ultra PoE 之缩写，区别于Universal PoE 的 UPoE，后者是一个私有协议）或者 4PPoE 。虽然名字有所不同，但其指代的都是新近获批的一项 PoE 协议 IEEE 802.3bt。此标准提供每端口 60W 至 90W 电力输出。在 60W 标准下，距离交换机 100M 的输出功率为 51W。

2.具体优势

• 一台PoE设备可以同时为多个终端设备供电，实现电源集中供电的同时，还可以进行电源备份；
• 符合国际标准，使用全球统一的RJ45电源接口，可保证与不同厂商的设备对接；
• PoE供电系统终端设备不需外接电源，只需要安装一根网线，简单而且节省空间，并且设备可随意移动；
• 节约成本，许多带电设备，例如视频监视摄像机等，都需要安装在难以部署AC电源的地方，PoE使其不再需要昂贵电源和安装电源所耗费的时间，节省了费用和时间；
• 像数据传输一样，PoE可以通过使用简单网管协议（SNMP）来监督和控制该设备；
• PoE供电端设备只会为需要供电的设备供电，只有连接了需要供电的设备，以太网电缆才会有电压存在，因而消除了线路上漏电的风险；
• 一个单一的UPS就可以提供相关所有设备在断电时的供电；
• 用户可以自动、安全地在网络上混用原有设备和PoE设备，这些设备能够与现有以太网电缆共存；
• 使网络设备便于管理，当远端设备与网络相连后，能够远程控制、重配或重设；
• 在无线局域网中，PoE可以简化射频测试任务，接入点能够被轻松地移动和接入；
• 减少后期的维护和维修成本；

四、原理

1.供电模式

PoE的两种供电方案——PoE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到PoE兼容的设备定义了两种方法：

一种称作“中间跨接法”(Mid-Span)，使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电（即1236线序走数据，4578线序走电力)，相应的EndpointPSE支持PoE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。

另一种方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电，其输电采用与以太网数据信号不同的频率（即1236线序同时走数据和电力）。MidspanPSE是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。可以预见，End-Span会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。

应用空闲脚供电时，4、5 脚连接为正极，7、8 脚连接为负极。应用数据脚供电时，将 DC 电源加在传输变压器的中点，不影响数据的传输。在这种方式下线对 1、2 和线对 3、6 可以为任意极性。标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备 PSE 只能提供一种用法，但是电源应用设备 PD 必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是 48V、13W 的。PD 设备提供 48V 到低电压的转换是较容易的，但同时应有 1500V 的绝缘安全电压。PoE 标准还规范了传送电功率应使用的非屏蔽双绞线对电缆，即 3、5、5e 或 6 类电缆。明确了与其一起工作的现存电缆设施不需要任何改动，这其中包括 3、5、5e 或 6 类电缆、各种短接线与接线板、电源插座引线和连接的硬件等。PoE 标准与 IEEE 802.3 标准系列兼容。

2.供电过程

PoE供电就是通过以太网供电，这种方式仅凭借那根连接通信终端的网线就可完成为它们供电。PoE提供的是典型的48V直流电，供电距离最长可达100m。一个完整的PoE系统包括供电端设备(PSE, Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD, Power Device)两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个PoE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载，即PoE系统的客户端（受电端）。
提示：Midspan 设备：PoE 功能在交换机或其他网络设备外；Endpoint 设备：PoE 功能集成到交换机或其他网络设备内。

• 检测PD：PSE在端口周期性输出电流受限的小电压，用以检测PD设备的存在。如果检测到特定阻值的电阻，说明线缆终端连接着支持IEEE 802.3af标准或IEEE 802.3at标准的受电端设备（电阻值在19kΩ～26.5kΩ的特定电阻，通常的小电压为2.7V～10.1V，检测周期为2秒）。
• 供电能力协商即PD设备分类过程：当检测到受电端设备PD之后，PSE对PD进行分类，并协商供电功率。供电能力协商不仅可以通过解析PSE与PD发送的电阻实现的，还可以通过链路层发现协议LLDP（Link Layer Discovery Protocol）协议发现和通告供电能力进行协商。
• 开始供电：在启动期内(一般小于15μs)，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提供48V的直流电压。
• 正常供电：电压达到48V之后，PSE为PD设备提供稳定可靠48V的直流电，PD设备功率消耗不超过PSE最大输出功率。
• 断电：供电过程中，PSE会不断监测PD电流输入，当PD电流消耗下降到最低值以下，或电流激增，例如拔下设备或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等，PSE会断开电源，并重复检测过程
  

3.具体实例

TPS23753A 具有增强 ESD 穿越功能的 IEEE 802.3-2005 PoE 接口和隔离式转换控制器，下图为TPS23753A上电的实际过程波形，芯片进行4点检测，随后进行了分级和上电。

信号检测阶段：发送一个测试电压给在网设备以探测受电设备中的一个 24.9kΩ共模电阻。测试信号开始为 2.7V，然后提升到 10V，这将有助于补偿 Cat-5 电缆自身阻抗带来的损失。因为这种电缆最长可达 100m。如果 PSE 检测到来自 PD 的适当阻抗特征(24.9kΩ)，它便会继续提升电压。如果检测不到特征阻抗，PSE 将不会为电缆加电。受电设备电路中的齐纳二极管会保证系统其余部分不受测试信号的干扰。（TI 芯片是4点检测相对2点检测可靠性更高一些）
分段阶段：检测之后，PSE会加14.5v~20.5v的电压在PD端，通过检测CLS电阻上的电流判断PD的功率等级。
供电阶段：检测和分级都正常之后会进行上电。

IEEE 802.3bt 因为功率比IEEE 802.3at大，分级会有所不同，会有两个分级电阻，并进行5次分级检测来实现90w的分级。

PD方案主要由两部分组成，PD握手芯片和反激/正激控制电路。目前TI的在市面上应用的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标准芯片，集成了PD握手芯片，反激控制器和功率开关管。使用原边反馈控制模式有效降低了副边反馈回路的成本和PCB板的面积。同时使用CCM控制模式，相对于常规DCM控制，明显提高了系统的EMI 性能，可以帮助客户省去输入端的共模滤波电感有效降低系统成本和尺寸。虽然使用原边反馈控制方式，依然可以达到较好的负载调整率。因此TPS23755很适合小功率小体积低成本的IPC应用。TPS23753A 和TPS23756分别是针对IEEE 802.3af 和IEEE 802.3at标准的副边反馈方案。

TPS2378+LM5155 是符合IEEE 802.3at应用的主流方案，LM5155是TI 2018年最新面市的反激控制器方案，有很多有特点的功能，比如输出短路保护的hiccup 功能，比如过流点补偿功能以实现不同输入电压下输出限流点不变，同时极低的电流采样电压很好解决了采样电阻发热的问题。 TPS2373-4+UCC2897A是符合IEEE 802.3bt应用的主流方案。TPS2373-4是符合IEEE 802.3bt标准的PD芯片。UCC2897A设计的有缘钳位正激电路可以实现90W的功率输出（可以参考TI 参考设计PMP6547）。另如果需要输出短路hiccup 功能，也可以考虑使用LM5025A替换UCC2897A。这种大功率的方案主要应用于大功率球机等产品中。总体来看，TI的PD产品在安防行业的应用还是相当广泛的。大家可以根据自己的需求选择TI相应的方案进行设计。

五、应用

1.PoE供电在安防系统中的应用

2.PoE供电在无线网络中的应用

PoE交换机可以部署在汇聚交换机和无线AP之间，或者PON网络中ONU和无线AP之间的位置。通过选择8口、16口、24口不同端口密度的PoE交换机，可以部署在不同用户密度的热点区域。其中汇聚交换机+PoE交换机的组网模式非常适合部署在用户密集的区域，目前在高校的WLAN项目建设中，多采用此方式。PoE交换机解决方案应用范围广、部署数量大，是目前很多工程商的主流选择。被广泛运用在无线AP和网络摄像机组网中，方案采用AP+AC的方式便于集中管理，并使用PoE供电节省人力成本。

六、总结

从技术角度来讲，PoE的技术发展多年，目前已经处于非常成熟的阶段。但由于目前监控市场迫于成本压力，选用的PoE交换机或者线材品质过于低劣，再或者方案设计本身就不合理，导致采用PoE供电的项目维护的工作量特别大，所以工程商普遍存在PoE供电不稳定的观点。在数据传输量非常大，功率高，且要求全天候不间断工作的情况下，采用有品质保证的PoE设备和线材是整个系统稳定的保证。

1.PoE不能供电时，如何排查

• 首先确定受电设备是否支持PoE供电。不是所有的设备都支持PoE供电的。

• 检查受电设备的功率是否超出了PoE交换机端口供电的最大功率。PoE交换机的端口供电功率有两种，一种是15.4W，一种是30W。如果用的是15.4W的PoE交换机，受电设备的功率却大于15.4W，就会出现供电不稳，或者供不了电的。

• 检测PoE交换机在满负载的工作状态下，供电功率是否超出了供电总功率。

• PoE交换机除了单个的端口供电功率，还有个总供电功率。市面上有的8口PoE交换机总供电功率是90W，单个端口供电功率是15.4W。如果每个端口的供电功率都使用到顶峰，8个端口就是8×15.4=123.2W。这样就超出了本台交换机的总功率，供电自然就会出现问题。所以使用PoE交换机要有个妥善的搭配，功率大的受电设备和功率小的搭配起来使用。

2.PoE供电技术有哪些不足之处

• PoE的供电距离只有100米左右，这是由数据信号的传输距离决定的；但是现在市场上有PoE信号延长器产品可以帮助延长传输距离。
• 作为一种最常用的PoE供电设备，一台PoE交换机一般会同时给多个PoE受电设备供电，如果PoE交换机出现故障，会导致所有PoE受电设备无法工作；因此，在部署PoE网络时，一定要选质量可靠的交换机，并考虑将PoE交换机接入到UPS（不间断电源）系统中。