PoE 和 PoE+ 基礎知識

PoE 的簡易性體現(xiàn)在，在一根 CAT 5 電纜上結合了供電和通信功能。與使用單獨的電源和數(shù)據(jù)網絡相比，工程師可利用此功能快速、低成本地設計和構建維護要求較低的網絡。

PoE 在世紀之交取得了迅猛的發(fā)展，互聯(lián)網語音協(xié)議電話 (VoIP) 開始利用基于以太網的專有技術，允許在同一網絡上同時傳輸數(shù)據(jù)和電力。

2003 年 6 月，IEEE 將 PoE 規(guī)范采納為現(xiàn)有 IEEE 802.3 以太網標準的修訂 (“af”)，對此概念進行了標準化。2009 年采用了第二項修訂“at”，能夠讓 PoE 安全地處理更高功率。

IEEE 802.3af 可以向網絡中的每個用電設備提供高達 15.4 瓦和 44 至 57 伏的直流電(在連接點提供 12.95 瓦的保證功率)。根據(jù)電源要求，可將用電設備定義為 1 類、2 類或 3 類。該技術使用單個標準 RJ45 連接器和一根 CAT 5(如果電源要求較低則為 CAT 3)電纜。

該標準的“B 方案”在 CAT 5 電纜四對電線中兩對未用于傳輸以太網數(shù)據(jù)的電線上傳輸電力。“A 方案”則在電纜的數(shù)據(jù)導線上施加共模電壓，為連接的設備供電。由于以太網使用差分信號傳輸數(shù)據(jù)，因此施加的電壓不會影響功能。

IEEE 802.3at 可以向 4 類用電設備提供高達 30 瓦(到用電設備為 25.5 瓦)和 50 到 57 伏的直流電。與早期技術的 350 毫安 (mA) 相比，PoE+ 的最大電流為 600 毫安 (mA)。PoE+ 僅使用 CAT 5 電纜，降低了阻抗和功率損耗。

IEEE 802.3at 修訂版向后兼容 IEEE 802.3af，而最新的 IEEE802.3-2012 標準則合并了 802.3at 規(guī)范。

除功率等級之外，PoE 元件可劃分為兩個類型：

1 型兼容 IEEE 802.3af 規(guī)范。

2 型兼容 IEEE 802.3af 和 802.3at 規(guī)范。

最新版的標準禁止在 CAT 5 電纜的所有四對雙絞線上傳輸電力。不過，所謂“4 對 PoE”的提議也已取得進展，最早可能于今年(2018 年)加入到標準中。4 對 PoE 引入了 5 類、6 類、7 類和 8 類用電設備，可提供高達 90 瓦(到用電設備為 71 瓦)和 960 mA 的電力。

PoE 系統(tǒng)的要素

IEEE 802.3af 定義了兩種類型的 PoE 設備：用電設備 (PD) 和供電設備 (PSE)。PSE 從傳統(tǒng)電源吸收功率，然后管理在以太網上分配的電力。反過來，PD 通過 RJ45 連接器獲得供電，因而無需使用內置電源。PoE 能夠在運行長度達數(shù)十米 (m) 的典型以太網電纜上為用電設備供電。

PoE 標準規(guī)定了 PSE 與 PD 之間的信號傳送。此信號傳送可讓 PSE 檢測到符合規(guī)范的設備，避免對連接到網絡的非 PoE 設備造成可能的損害。導線間施加了 2.8 到 10 伏的直流電壓，連接的用電設備提供 19 到 27 千歐 (kΩ) 的阻性負載，并使用不超過 120 毫微法 (nF) 的并聯(lián)電容器作為“簽名”。檢測到 PSE 后，PSE 將與 PD 協(xié)商，確定所需的功率。

PSE 以端點或中跨方式獲得供電。端點(或 PoE 交換機)是采用 PoE/PoE+ 傳輸電路的以太網交換機。中跨是位于常規(guī)以太網交換機與用電設備之間的 PoE“供電器”，目的是在不影響現(xiàn)有網絡信號完整性的情況下增加功率。

端點通常用于新安裝的設備，或在較舊的網絡完全升級至 PoE+ 時使用。在需要保留現(xiàn)有的以太網交換機以降低成本和簡化安裝的情況下，可采用中跨進行 PoE+ 網絡升級(圖 1)。中跨供電器的示例如 Microsemi Corporation 符合 IEEE 802.3at 規(guī)范的 PD 9001。

中跨 PoE 安裝示意圖

圖 1：在將現(xiàn)有的以太網升級至 PoE 時通常使用中跨 PoE 安裝，因為這樣可以保留已安裝的電纜并降低成本。(圖片：Microsemi Corp.)

端點和中跨實現(xiàn)還有一點更重要的區(qū)別;規(guī)范僅允許在 B 方案的實現(xiàn)(即在電纜中的非數(shù)據(jù)傳輸對上傳輸電力時)中使用中跨(圖 2)。

PoE/PoE+ B 方案示意圖

圖 2(a)：PoE/PoE+ B 方案要求在 CAT 5 以太網電纜的備用線對(非信號)上傳輸電力。中跨 PoE 實現(xiàn)只能使用此配置。(圖片：Silicon Labs)

PoE/PoE+ A 方案示意圖

圖 2(b)：PoE/PoE+ A 方案要求在 CAT 5 以太網電纜的信號線對上傳輸電力。端點 PoE 實現(xiàn)可使用 A 方案和 B 方案配置。(圖片：Silicon Labs)

早期的 PSE 采用分立電路，并劃分為電源與以太網絡之間的通信接口。為簡化 PoE 系統(tǒng)設計，有廠家后來引入了集成的 PSE 控制器，將 PoE+ 接口電路與電源結合起來。最近，系統(tǒng)設計得到了進一步簡化，增加了 PSE 控制器的功能，如此便可通過集成一個微控制器實現(xiàn)多端口的本地監(jiān)控。

實用 PoE 電源管理 IC 解決方案

Silicon Labs 的 Si3459 PoE PSE 端口控制器是一個單芯片解決方案實例。該芯片設計為在 PSE 端點中使用，并且集成了八個獨立端口，每個都帶有用電設備檢測和分類功能。此外，Si3459 還可實現(xiàn)使用直流檢測算法的用電設備斷連、軟件可配置每端口電流和電壓監(jiān)視以及可編程限流功能。盡管芯片集成了一個 8051 微控制器，但還需要一個主機處理器才能實現(xiàn)完全控制。此處理器通過一個三線 I2C 兼容型串行接口與 Si3459 通信。通過在 PoE 系統(tǒng)中使用 Si3459，設計人員可以大幅減少設計的元件數(shù)和復雜度。

Silicon Labs 提供了適合基于 Si3459 的設計的評估套件 Si3459-KIT。在正常工作期間，Si3459 由主機處理器通過芯片的 I2C 接口進行控制，套件中包含圖形用戶界面 (GUI)，因而可以更輕松地顯示和控制 Si3459 的 I2C 寄存器。評估套件需要使用 PC，通過提供的 GUI 來控制評估板。套件包含兩個支持 16 端口演示系統(tǒng)的 Si3459 控制器。每個端口可提供 30 瓦的功率。

在計算 PoE 系統(tǒng)的功率要求時，需要考慮電纜損耗，這一點很重要。在 1 型配置中，該規(guī)格允許的 PSE 與 PD 之間的最大電纜電阻為 20 Ω (Rmax)(圖 3)。此外，標準中還規(guī)定了 PSE 最大輸出電流 (IPSE_out_max)、PSE 最小輸出電壓 (VPSE_out_min) 和 PSE 輸出功率 (PPSE_out)。此配置會造成約 2.5 瓦的電纜損耗，以及 PD 處出現(xiàn)相應的功率和電壓下降。

1 型配置示意圖，20 Ω 電纜電阻導致 2.45 瓦的功率損耗

圖 3：在這個 1 型配置中，20 Ω 電纜電阻導致電纜上出現(xiàn) 2.45 瓦的功率損耗。因此，傳輸?shù)接秒娫O備的功率降至 12.95 瓦，電壓則降至 37 伏。(圖片：Silicon Labs)

類別PSE Pout 最大值 [W]Rcable 最大值 [Ω]PSE Vout 最小值 [V]PSE Iout 最大值 [mA]最大電纜損耗 [W]PD Pinmax [W]015.402044350.002.4512.9513.84204487.270.153.6926.492044147.500.446.05315.402044350.002.4512.95430.0012.550600.004.5025.50

表 1：PoE 0 類、1 類、2 類和 3 類(1 型)以及 4 類(2 型)電纜的功率損耗。(圖片：Silicon Labs)

配置多端口 PoE 安裝

POE+ 的采納增強了該技術的實用性，因為它的功率傳輸更高，允許開發(fā)人員連接高耗電的設備，例如帶有平移、傾斜和縮放功能的安防攝像機。不過，包含數(shù)十個用電設備的大型系統(tǒng)需要大型電源，并且設計非常復雜。例如，考慮一個包含 50 個用電設備的系統(tǒng)，且所有設備均吸收可供 2 型系統(tǒng)使用的最大功率;這時電源需要提供 1.5 千瓦(50 x 30 瓦)功率。而且，大型商用 PoE+ 系統(tǒng)往往包含備用電源，以應對主設備故障。

但在典型的大規(guī)模 PoE+ 安裝中，許多用電設備并不要求系統(tǒng)能夠提供最大功率。例如，Wi-Fi 路由器、VoIP 電話和 LED 燈等設備需要的功率小于 10 瓦。盡管這會降低電源的總體需求，但它增加了配置系統(tǒng)電源管理的難度。

芯片供應商通過提供電源管理控制器，減輕了設計人員的 PoE+ 電源管理負擔。這些集成的設備(例如 Silicon Labs 的 Si3484)將會監(jiān)控多端口 PoE+ 實現(xiàn)的所有功率要求。

Si3484 作為電源管理器，旨在監(jiān)控多達 64 個端口(由三個成組電源供電)，從而實現(xiàn)單一系統(tǒng)電源。盡管 Si3484 能夠向所有 64 個端口提供 30 W 功率，但它的主要設計用途是對混合了 0 類、1 類、2 類和 3 類設備以及在 2 型安裝中使用 4 類設備的系統(tǒng)進行配置。

設計人員可通過芯片的 SPI 或 UART 接口配置 Si3484 電源管理控制器，以設置系統(tǒng)的電源容量、端口功率配置(1 型或 2 型)、端口優(yōu)先級、檢測定時(在方案 A 與方案 B 之間略有不同)，以及故障恢復協(xié)議。完成設定后，Si3484 無需主機處理器介入便可工作?？商峁┎⑦B續(xù)更新端口和總體狀態(tài)信息。

Si3484 設計成與上述 Si3459 PoE PSE 端口控制器配合使用。該電源管理控制器使用 Si3459 的實時過載和電流監(jiān)控功能來管理在 64 個端口之間共享的電源(圖 4)。

Silicon Labs 的 Si3484 電源管理控制器示意圖

圖 4：Silicon Labs 的 Si3484 電源管理控制器可與該公司的 Si3459 端口控制器配合使用，用于控制多個電源并配置多個 0 類、1 類、2 類、3 類和 4 類端口的輸出。(圖片：Silicon Labs)

PoE 電源管理

單個 Si3484 電源管理控制器可支持多達 8 個 Si3459 端口控制器(每個包含 8 個端口)，從而構建出一個包含 64 個端口的安裝。端口控制器負責低級端口功能，如用電設備的檢測和分類，而電源管理控制器則監(jiān)控所有端口之間的功率分配。

開發(fā)人員可以為每個端口配置可選的功率限制，以限制電源管理器提供給特定設備的最大功率。如果用電設備的功率要求大于分配給端口的限制，則該請求將被拒絕，以避免系統(tǒng)過載。

將更多的用電設備連接到備用端口后，電源管理控制器會根據(jù)用電設備的分類確定可能的功率要求。如果有足夠的開銷，則進行供電，否則拒絕該請求。Si3484 也可以在連接過程中動態(tài)調整授予用電設備的功率。在發(fā)生端口過載時，電源管理控制器會關閉該端口。

Si3484 芯片使用基于授權或用量的策略，并考慮電纜損耗，將功率分配給每個端口。按照基于授權的策略，端口不論使用與否，都被分配設定的功率。新用電設備的功率將從剩余的功率開銷中分配。此方法的優(yōu)勢在于，如果用電設備的功耗在工作期間增大，則可以增加供電 – 前提是沒有超過原始授權。不足之處在于效率低下，因為新的用電設備無法接入現(xiàn)有授權的未使用分配量(圖 5a)。

Silicon Labs Si3484 實現(xiàn)了基于授權的電源管理策略示意圖

圖 5a：Si3484 可實現(xiàn)基于授權的電源管理策略，其中的用電設備不論使用與否，都會被分配了預設的功率。這種策略以系統(tǒng)效率為代價，實現(xiàn)了靈活的用電設備功耗。(圖片：Silicon Labs)

基于用量的策略更加高效，但如果用電設備的用量超過了原始分配量，則可能導致端口過載。為避免重復發(fā)生系統(tǒng)過載，開發(fā)人員可以指定禁止功率保留，在現(xiàn)有用電設備功耗升至超過原始分配量時服務現(xiàn)有用電設備，而不是將其分配給新設備。

開發(fā)人員還可以配置 Si3484 在短時間內提供功率過載。這種過載通常在現(xiàn)代電源的能力范圍以內，前提條件是不會持續(xù)過長時間(圖 5b)。

基于用量的電源管理策略示意圖

圖 5b：基于用量的電源管理策略更加高效，并可實現(xiàn)功率分配的保留和過載。(圖片：Silicon Labs)

在工作期間，如果系統(tǒng)過載小于過載限制，則電源管理控制器會按照優(yōu)先級順序關閉端口，直至系統(tǒng)不再受到壓力。如果系統(tǒng)已嚴重過載(如果三個電源中的一個離線，可能會發(fā)生這種情況)，Si3484 將會關閉所有低優(yōu)先級端口，然后按照優(yōu)先級順序逐一關閉更多端口，直至系統(tǒng)恢復安全狀態(tài)。