乙太網供電技術

安全錄影機、建築物監視器、天氣感測器、語音 IP (VoIP) 電話等電子設備都利用乙太網連接，但這些設備通常需要本地電源。遺憾的是，把 110V 交流電輸送到建築物感測器和安全錄影機的成本也許比這些設備及其網路電纜的成本還高。但是，設備用戶可以指望一種新標準——乙太網供電 (PoE)，它的目標是降低網路設備對外部電源的依賴。該標準規定了一種方式來透過網路電纜供電。也許是告別電源機箱和牆壁插座的時候了。

乙太網供電標準的正式名稱是 IEEE 802.3af，規定了導體在 5 類和 6 類電纜中的使用，來向遠端設備分配少量電力。由於 IEEE 在 2003 年採納了 PoE 標準，因此很多公司已經開發了網路設備專用電源。因此，工程師們就可以把他們的設計工作重點放在那些從乙太網電纜獲得電力的電路上。電力可以是透過乙太網的資料傳輸導體到達的，或者透過網路電纜中未使用的導體對到達的。（透過資料線路供電的設備切勿破壞或扭曲資料信號。）

PoE 系統包含兩個主要元件：供電設備 (PSE) 和網路電纜末端的被供電設備 (PD)。PSE 為許多網路設備提供單一電源，並且，如果線路電力出現故障，那麼位於 PSE 的不間斷電源 (UPS) 能提供備用電力。

這項 IEEE 標準提供了一種連接和斷開協定，幫助設備設計者避免各種可能破壞網路的相容性問題。該協議是一個事件序列，規定了電源如何檢測需要電力的網路設備，確定該設備需要多少電力，並檢測設備何時斷開。當最後一個事件發生時，電源以順序的方式從電纜撤除電力。

面向 PoE 相容性的設計
很多工程師都將設計依賴網路連接供電的產品。不過，對於符合 PoE 的設備，額外電路只需要幾個附加元件，增加的材料清單成本也許不到 1 美元。圖 1 顯示了一條針對被供電設備 (PD) 的基本電源電路。PD 必須從未分配任務的備用導體或四條資料線路接受電力。（乙太網標準規定了單獨的資料傳輸和資料接收導體對，因此是四條資料線路。）



不論 PD 將使用哪個電源，每對線都提供了一條電流源路徑或一條電流馳返路徑。因此，在 RJ-45 乙太網連接器中，4 號線和 5 號線提供一個導體，而 7 號線和 8 號線提供另一個導體，如 圖 1 所示。同樣，資料傳輸對（1 號線和 2 號線）提供一個導體，而資料接收對（3 號線和 4 號線）提供另一個導體。每個隔離變壓器上的中心抽頭都提供對直流電的使用權。Coilcraft、Falco Electronics、Pulse 等變壓器公司都提供現貨型 PoE 變壓器。

資料線路上的二極體橋接器和未分配任務的線路上的另一個橋接器為電力電路確保了直流電信號的適當極性。圖示的電路把橋接器並聯起來，為 PD 提供一條電力線路和一條馳返線路，不論是什麼電源。

與立即供電的牆壁電源插座不同的是，乙太網連接在輸送電流之前，需要 PSE 和PD 之間“交握”。網路可能包含無法利用電力的較老式設備，或者是乙太網電纜上的電力可能會損壞的一些設備。（見《為老式網路設備供電》。）因此，PoE 規範要求，只有當連接的網路設備能接收電力並使用它時，PSE 才向乙太網電纜加電。

檢測流程要求在電纜的 PD 端有一個已知的阻抗，典型情況下是一個 25 kΩ 電阻。PSE 在供電之前，必須檢測這個阻抗，它也被稱作檢測電阻或發現電阻。一些工程師也許想為這個電阻增加一個濾波電容，但 802.3af 標準規定最大電容是 100 納法。更大的值可能會干擾檢測系統。

一旦 PSE 感覺到了電纜上的 PD，它就會把測試電壓從 0 伏提高到 10 伏，電流強度為 5 毫安培。在升壓期間，PSE 測量兩個電壓時的電流，來確定線路上是否存在檢測電阻。在檢測期間，PD 切勿把它的負載連接到電源。

為老式網路設備供電 向較老式的網路添加 PoE 設備時，網路交換機也許需要由包含 PoE 電源的類似設備來代替。如果無法代替較老式的設備，則可在從交換機到設備的電纜中插入一個電力“注射器”。注射器向網路電纜中未使用的導體加電。例如，採用了無線接入點或安全錄影採用了無線接入點或安全錄影機的工廠可以購買單埠注射器。提供 8 、16 或 24 個埠的電力注射器（圖 A ）能為那些支援眾多 VoIP 電話、網路安全認證讀取器和其他設備的設施供電。 如果網路電纜末端的設備無法利用被提供的電力，那麼系統設計者可以購買分離器，把電力從乙太網資料信號中分離出來。分離器一般包含直流 / 直流轉換器，它為遠端設備產生穩壓和隔離的電力。 這種電力注射器提供 24 個埠，它們接受乙太網連接，並向未使用的導體加電。電力注射器升級了現有設備，並自動調節配電。

在檢測到有效的 PoE 設備後，PSE 將把電力（典型值是 48 伏）連接到乙太網電纜。在圖 1 所示電路中，48 伏信號導致齊納二極體電路接通低側 MOSFET，後者使電流流過 PD。

在 500 毫秒期間，PD 必須至少消耗10 毫安培電流，持續至少 75 毫秒。如果消耗的電力低於該閾值，那麼 PSE 將斷開 48 伏電源，並回到檢測序列。多數 PoE 設備都消耗 100 毫安培至 300 毫安培，因此確保最低值為 10 毫安培的電流，通常不會帶來問題。

觀察電壓和電流極限
雖然 PoE 連接能為許多小型設備供電，但不要指望從乙太網電纜為筆記本電腦或網路印表機供電。IEEE 802.3af 標準規定的電壓範圍是 44 至 57 伏，電流極限是每台 PD 350 毫安培，或最大功率為 15.4 瓦。固有的電纜和連接器電阻會消耗一些電力，因此工程師們應該把 PD 設計成接受 36 伏至 57 伏之間的輸入，並且最大工作功率是 12.9 瓦。

IEEE Power Over Ethernet Plus 委員會為透過乙太網連接供應的電力設立了 40 瓦的新目標，但是該委員會尚未採納正式標準。工程師們可以從它的網站獲得更多資訊，網址是：grouper.ieee.org/groups/802/3/poep_study/index.html。

但是，並非所有設備都將需要 15 瓦，因此 IEEE 802.3af 規範包含了低功率的選擇。PSE 可以在通電序列期間，把某台 PD “歸類”為低功率設備。這項技術被實施於 PSE 和 PD 時，使 PSE 能高效率地配電，並與較小的電源一起工作。



在 PD 檢測和 48 伏電力施加之間，配備用於確定 PD 分類的 PSE 把 14.5 伏至 20.5 伏的信號施加到電力線路。然後，它測量 PD 消耗的電流，並把它歸類，如表 1 所示。對分類電壓進行傳感並提供電阻性負載的電路可能會變得很複雜，因此設計人員也許會決定依靠某種包含分類介面的積體電路。美國國家半導體公司 (www.national.com) 提供 LM5070 介面和直流/直流轉換 IC；凌特公司 (www.linear.com) 提供 LTC4267 PD 介面和開關穩壓 IC；德州儀器公司 (www.ti.com) 供應 TPS2375，該產品提供檢測電路、分類電路以及低側開關。圖 2 顯示了某種 PD 輸入的實現，它使用 TPS2375 IC。

雖然許多 PD 都包含分類電路，但目前的多數 PSE 都提供自己的即時控制器，它比分類技術更高效地管理電力。不過，工程師們仍然應該知道如何在 PD 設計中包含分類電路。



設計人員還必須考慮一種需要，即把電源連接和用戶隔離開來，這是因為 IEEE 802.3af 規範對 PoE 設備要求 1,500 伏交流電隔離。塑膠外殼的照相機等設備不包含用戶能接觸到的觸點，也許提供了固有的隔離。不過一般而言，使用戶能接觸到電連接的 PD 產品必須提供隔離式直流/直流轉換器。

歐洲 EMC 指令 EN 55022 的最新版本將於 2005 年 8 月生效，將限制資料電纜的傳導雜訊。該項限制使 PD 工程師擔負了遵守 EMC 指令的重任，他們必須努力設計 PD 中使用的低雜訊直流/直流轉換器。

交互操作
為了幫助各公司確保新的 PoE 設計符合 IEEE 803.2af 標準並能與其他 PoE 設備配合，新罕布夏大學提供互操作性測試。該校的交互操作實驗室（InterOperability Laboratory，網址：www.iol.unh.edu）是一個廠商中立組織，測試多類商用 PoE 設備的符合性和互操作性。UNH-IOL 乙太網供電聯盟 (UNH-IOL Power Over Ethernet Consortium) 也測試軟體產品。主要製造商應該為買主提供測試報告，報告核實各自設備對 IEEE 802.3af 標準的一致性和交互操作特性。即使是小公司也應該讓自己的產品接受測試。

如需瞭解更多資訊
新罕布夏大學的“乙太網供電技術常見問題解答”：www.iol.unh.edu/consortiums/poe/tech_faq.html
“如何利用乙太網電力”：www.computing.co.uk/analysis/1159841

作者簡介
Keith Hopwood 在電子行業有 25 年經驗，最近 3 年為飛宏美國公司工作，該公司是一家定制和標準電源供應商。如要瞭解更多資訊，請與 Keith 聯繫，地址是：Phihong USA, 47800 Fremont Blvd. Fremont, CA 94538，電話：(510) 445-0100，網址：www.phihong.com/html/poe.html.