PoE,POE+关键技术

一、 概述:

定义:PoE全称Power Over Ethernet,是指10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T以太网网络供电,即数据线和电源线在同一根网线上传输,其可靠供电的距离最长为100米。


通过这种方式,可以有效的解决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,对于这些终端而言不再需要考虑其室内电源系统布线的问题,在接入网络的同时就可以实现对设备的供电,极大的简化了综合布线的复杂性,降低了系统使用的成本。


在通用性方面,目前PoE供电有了统一的标准,只要遵循已经发布的IEEE802.3af和IEEE802.3at标准,就可以解决不同厂家设备之间的互连互通的问题。

POE供电的技术优势和拓展应用

使用以太网线供电的优势是明显的:

1. POE 只需要安装和支持一条电缆,简单而且节省空间,并且设备可随意移动。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 一个单一的UPS 就可以提供相关所有设备在断电时的供电。

6. 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。

7. 使网络设备便于管理。因为当远端设备与网络相连后,才能够远程控制、重配或重设。

8. 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。


二、PoE设备供电方式说明

按照802.3af/at标准的定义,PoE供电系统包含两种设备PSE和PD,典型的设备应用组网图如下。


1.      PSE

(1)PSE设备的定义:

PSE(power-sourcing equipment),主要是用来给其他设备进行供电的设备,

(2)PSE设备的分类:

其又可以分为两种,

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。


2.      PD

(1)PD设备的定义:

PD(Powered Device),在PoE供电系统中用来受电的设备。

(2)PD设备的种类:

无线的AP设备;

IPPHONE设备;

摄像头; 部分小功率的SOHO类交换机。


3.      供电方式:

同时802.3af/at标准还定义了PI(Power Interface:PSE/PD与网线的接口)。

(1)   PI的分类:

可选方式A(AlternativeA):网线12、36线对供电,即:信号线供电;

可选方式B(AlternativeB):网线45、78线对供电,即:空闲线供电。

(2)   PoE供电的安全/可靠性说明:

由于DC电流和数据频率互不干扰,所以可以在同一对线同时传输电流和数据,其实,对电缆来说可以看作一种“复用”。

PoE提供的电压在57V以下,属于“安全电压”,满足安规要求。


三、IEEE802.3af 简述:

1、 概述
早在1999年,以太网供电已经不是什么新的理念了。实际上,当时已经有许多公司提供了专用解决方案,其中包括3Com、PowerDsine和Cisco等。但比较新颖的想法是制定一项工业标准,以保证各种设备之间实现全面的互操作性。
IEEE在1999年开始制定该标准,最早参与的厂商有3Com, Intel, PowerDsine, Nortel, Mitel和National Semiconductor。但是,该标准的缺点一直制约着市场的扩大。直到2003年6月,IEEE批准了802. 3af标准,它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项,并对路由器、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。

2、 POE的关键技术
1) POE的系统构成及供电特性参数
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系统的客户端设备,如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑( PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备(实际上,任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力)。

两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系,并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。

POE标准供电系统的主要供电特性参数为:
a、电压在44~57V之间,典型值为48V。
b、允许最大电流为550mA,最大启动电流为500mA。
c、典型工作电流为10~350mA,超载检测电流为350~500mA。
d、在空载条件下,最大需要电流为5mA。
e、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。

关于功率五个等级的详细说明:
IEEE 802.3af PoE标准允许设计师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。
设计师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。

2) POE供电的工作过程
在分级阶段,PSE将向PD施加15~20V的电压,并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。在此阶段,PD的电源部分将被欠压锁定(UVLO)电路维持在无源状态,以便隔离开关级,直至特征和分级阶段完成。一旦分级完成后,PSE将会向PD提供全额工作电压。

当在一个网络中布置 PSE供电端设备时,POE以太网供电工作过程如下所示:
检测:首先PSE会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2.5V,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。
PD端设备分类:当检测到受电端设备PD之后,PSE将向PD施加15~20V的电压,并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。如果除了探测到第一级的电阻外没发现其他分级电路,该设备被定义成零级别。在此阶段,PD的电源部分将被欠压锁定(UVLO)电路维持在无源状态,以便隔离开关级,直至特征和分级阶段完成。
开始供电:分级完成后,在一个可配置时间(一般小于15μs)的启动期内,PSE设备开始从低电压向PD设备
a)供电,直至提供48V的直流电源。
b)供电:为PD设备提供稳定可靠48V的直流电,满足PD设备不越过12.95W的功率消耗。
c)断电:若PD设备从网络上断开时,PSE就会快速地(一般在300~400ms之内)停止为PD设备供电,并重 复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。


在上述过程中,主要对以下几个过程进行描述:

Step1:Detection,PSE检测PD是否存在。

(1)   该步骤主要的操作是,PSE通过检测电源输出线对之间的阻容值来判断PD是否存在;

(2)   Detection阶段输出电压为2.8V~10V,电压极性与-48V输出一致。只有检测到PD,PSE才会进行下一步的操作。

(3)   PD存在的特征:

直流阻抗在19K~26.5Kohm之间;

容值不超过150nF;

Step2:Classification,PSE确定PD功耗。

(1)   该步骤主要的操作是,PSE通过检测电源输出电流来确定PD功率等级。

(2)   Classification阶段端口输出电压大小为15.5V~20.5V。电压极性与-48V输出一致。

Step3:Power-up,PSE给PD供电。

该步骤主要的操作是,当检测到端口下挂设备属于合法的PD设备时,并且PSE完成对此PD的分类(可选),PSE开始对该设备进行供电,输出-48V的电压。

Step4:RTP & Power management,实时监控、电源管理

Step5:Disconnection,PSE检测PD是否断开。

该步骤主要的操作是,PSE会通过特定的检测方法来判断PD是否已经断开,如果PD断开,PSE将关闭端口输出电压。端口状态返回到Detection。


在把任何网络设备连接到PSE时,PSE必须先检测设备是不是PD,以保证不给不符合POE标准的以太网设备提供电流,因为这可能会造成损坏。这种检查是通过给电缆提供一个电流受限的小电压来检查远端是否具有符合要求的特性电阻来实现的。只有检测到该电阻时才会提供全部的48V电压,但是电流仍然受限,以免终端设备处在错误的状态。作为发现过程的一个扩展,PD还可以对要求PSE的供电方式进行分类,有助于使PSE以高效的方式提供电源。一旦PSE开始提供电源,它会连续监测PD电流输入,当PD电流消耗下降到最低值以下,如在拔下设备时或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等,PSE会断开电源并再次启动检测过程。
电源提供设备也可以被提供一种系统管理的能力,例如应用简单网络管理协议(SNMP)。这个功能可以提供诸如夜晚关机、远端重启之类的功能。
研究POE的供电方式可以看出,在供电的过程中有两个关键的问题需要考虑,一个是对于PD设备的识别,另一个是系统中UPS的容量。


3) POE通过电缆供电的原理
标准的五类网线有四对双绞线,但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。
IEEE80 2.3af允许两种用法如图1和图2所示。

图 通过空闲脚供电

图 通过数据脚供电

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。

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,相应的Endpoint PSE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。Midspan PSE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。

下图是POE供电系统的一个实例,由供电设备PSE 、受电设备PD和相关的配套设备及以太网传输电缆组成。

图 符合IEEE 802.3af标准的以太网供电系统实例

当PD设备与POE标准兼容时就可直接通过RJ-45插座从以太网电缆供电,对于与POE不兼容的设备可以采用直流变换器或抽头分压装置的方法,将其电压变换成POE兼容的电压。这些装置有时也被称为有源以太网分裂器(Sputters),它可以将太网电缆的直流电压取出来并通过常规的直流插座供PD设备使用。


四、IEEE802.3at 简述:

IEEE 802.3at:拓宽PoE应用领域PoE(Power over Ethernet,以太网供电)是一种局域网技术,可通过双绞线向受电设备提供直流功率,已在在企业与工业应用中得到广泛的应用。据统计,2006年,以太网供电交付量为3200万个端口,到2011年,交付量将增长到1.45亿个端口,年增长率将超过30%。PoE业界所采用的标准为IEEE 802.3 af,该标准规定了供电设备可通过以太网向功率在13W以下的受电设备供电。这对于传统的IP电话以及网络摄像头而言足以满足需求,但随着双波段接入、视频电话、PTZ视频监控系统等高功率应用的出现,13W的供电功率显然不能满足需求,为此,IEEE在2005年开始开发新的PoE标准802.3at(PoE Plus)以提升PoE可传送的电力。

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,因此可大幅拓宽PoE的应用领域。下表为802.3af与802.3at的对比。虽然802.3ats尚未正式推出,但业内厂商以开始推出符合pre-IEEE802.3at标准的器件。

如博通公司推出PSE(Power Sourcing Equipment,供电设备控制器)BCM59103,该器件据称是业界第一款4端口前IEEE 802.3at以太网供电器件,该器件每端口可提供30W+功率,Tolerates CESD>2KV,且在器件内部集成了电源MOSFET,DC/DC控制器、电流检测电阻、AC断接装置、8051MCU、存储器以及LED控制器


802.3af与802.3at的对比


802.3af(PoE)

802.3at(PoE Plus)

分级

0~3

4 only and Layer 2

伏特数

44~57V DC

50~57V DC

缆线

Unstructured

CAT-5 or better

对线数

2

2

受电设备功率

≦12.95瓦

29.95

电流

350mA

600mA

主要应用

网络电话(3-7W)、WLAN接入点(8-12W)等

视频网络电话(10-20W)、PTZ视频监控系统(20W)、WiMAX和802.11n接取器(8~45W)、个人电脑(30W+)等

由于IEEE 802.3af规范,受电设备(PD)上的PoE功耗被限制为12.95W,这对于传统的网络受电设备足以满足需求,但随着IP电话以及网络摄像头、双波段接入、视频电话、PTZ视频监控系统等高功率应用的出现,13W的供电功率显然不能满足需求,这就限制了以太网电缆供电的应用范围。为了克服PoE对功率预算的限制,并将其推向新的应用,IEEE成立了一个新的任务组,旨在探求提高该国际电源标准的功率限值的方法。IEEE802.3工作组为了在技术及经济上对IEEE802.3at实现的可能性进行评估,新标准称为 IEEE 802.3at,它将功率要求高于12.95W的设备定义为Class 4,可将功率水平扩展到25W或更高,新标准并在2009年初发布。
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。PD以Class4分级的电流响应,告诉PSE是否能够为其提供802.3at规定的较高功率。


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

动态功率

IEEE 802.3at 任务组面临的挑战是确定如何扩展分类系统。一般采用两级分类方法。和在基本PoE 中一样,现在所有的PSE 芯片都能发送第一种分类脉冲,但PoE Plus PSE 还能发送第二种脉冲。标准的PoE PD 将以通常的方式响应第一种脉冲,而PoE PlusPD 能发出表明它是第四类PD 的响应。


PSE 发出的第二种脉冲告诉PD 现在连接的是高功率PSE。PD 针对每个脉冲发出的四类响应告诉PSE 连接的是高功率PD。