1. PoE 以太供电网路的基本定义:
PoE 的全名是: Power over Ethernet, 也就是将电源供应整合到现有的以太网路中, 这样一来新
的PoE 网路不只可以传输资料, 还可以将电源供应到网路终端的设备中. 换句话说以太供电网路
就是将电源传输及资料传输整合到一个现有的缆线系统中(这里的网线系统是指五类/超五类/六
类的缆线系统). 从而不再需要为每一个网路终端设备提供直流或交流电源.
2. PoE 的现行标准: IEEE 802.3 af.
目前PoE的标准:是依照IEEE 组织在 2003 年发布并执行 IEEE 802.3 af 规范.
新的802.3at 标准还没最终定案.
3. IEEE 802.3 af 规范的基本内容:
A> IEEE802.3af 是规范了 通过局域网路向以太网设备进行远端供电的全球性标准. 该标准定义了
通过 [标准以太网线缆] 进行供电的规范, 并规定了以太网供电设备及被供电终端的设计方法及
标准.
B> 该标准涉及在现有线缆设施上供电, 包括五类线, 超五类线, 跳线, 配线架以及用於连接的硬体.
C> PSE 以及 PD:
PoE系统是由两种设备组成: PSE (Power Supplying Equipment；PSE) 供电设备以及 PD
(Powered Device) 端设备(又名: 被供电设备/终点设备)
PSE是指可以提供电源供应能力的网路中继设备, 常见的 PSE 如 PoE 以太供电交换机及PoE 以
太供电路由器.
PD 是指连接在网路终端的设备, 常见的PD 有 PoE 网路摄像头, PoE网路电话, PoE 无线局域网
访问终点等等. 这些设备使用的电源是直接来自PoE 网路.
D> PSE电源输出及PD电源输入脚位设定:
PSE 的电源输出及 PD的电源输入:
Pin 12/36: 电源的供应是通过网线中的资料线对: 1,2通常是负极, 3,6 通常是正极. 这种方式是
為了避免48V/55VDC 经由 4,5/7,8 缆线进入 1000M网路中 PIN4,5 7,8而烧坏终端設备.
PIN 45/78: 在10/100网路中, 45/78 缆线并没有在使用, 因此也可以将PSE的供电通过不使用的
PIN 45/78 到PD 终端设备中, 但是这种方式不能在千兆网路中使用,
重点: PSE 和 PD 必需配对使用, 也就是说如果PSE 的输出是 12/36 的话, PD 的电源输入也必需是
12/36. 如果 PSE的输出是 45/78的话, PD 也必须是 45/78. 十,百兆网路可以选择PSE设备的
输出是 12/36 或是 45/78.千兆网路只能使用 PIN12/36 输出设定.
E> PoE 的检機制:
802.3af 规定了符合规范的 PSE 供电设备具有检测机制, 藉著这些检测机制 PSE 可以识别连
接到PSE的终端设备PD是否符合802.3af. PD 也是一样有标準的验证签名的机制. PSE 只有侦
测到PD 有符合规定的验证签名后, 才会对PD开放供电的能力. 如果连接的PD不是符合标準的
PoE PD的话, PSE 端口会关闭供电能力,
4. 802.3af 规定 PSD和PD 检测的方法及数据:
依照 802.3af 的规定, PSE供电设备要经过两种不同的检测方案, 确定连接到PSE端口的PD符合
802.3af 规范后, PSE控制晶片才能给PD 提供电源.
第一步: 检验PD [验証签名]程序
当PSE 的端口连接上一个设备后, PSE 会啟动一连串的量测程序, 主要是量测连接的
设备是否具有正确的PD 验証签名(实际上是指PD的输入等效电阻). 如果量测的数据符合
规范, PSE 会将连接的设备视為符合规范的PoE PD设备, 并开始执行下一阶段的”分级”
测试. 如果量测的结果不荷合PD的规范时, PSE 会把连接的设备视為不合PoE规范的
设备, 不会进入分级测试, 也不会提供电源给设备. PSE 会重覆定时执行 (0.3~0.5秒) 检
验程序直到连接的设备插入并通过检测.
第二步: PSE 会开始进行一个分级程序. 分级程序的主要目地是要确认PD终端设备在上电时将要
消耗多少功率, 依照 802.3af 的规定, 分级可以分為5级, 从 0 到 4. 分级可以确定PD
的消耗功率. 在有管制的条件下 PSE可以限制每一个端口最大输出功.
PSE会监视每一个PSE端口的最大输出电流, 如果输出电流超过规定(375~425mA), PSE 会限制
端口的最大输出电流. 如果PSE 端口侦侧到有短路或是过载的现象时, 為了保护PSE晶片, 该端
口的供电会被切断. 在过一定时间后, 该端口会重新开始进行检测程序.
5. PoE 以太供电网路的组成设备图解:
请参考Fig 1.
A> PSE 以太网路供电交换机: PSE 以太网路供电交换机中有以下重要组件:
以太网路控制晶片: 主要是控制以太网路的传输.
PSE 控制晶片: 依照802.3af 规范进行检测及供电能力.
电源管理模组: 48VDC直接供给 PSE 控制晶片及线路. 电源转换线路: 将48V输入转换成
5.0VDC/3.3V/1.8VDC.
B> 以太网路线缆: 五类/超五类/六类缆线. 802.3af规范的最大缆线长度不能大於 100米.
(缆线本身也是一个电阻, 因此缆线本身也会消耗掉部份的功率. 缆线越长消耗掉的功率也越大)
C> PD 终端设备:
PD 终端设备可以分為两个部份:
PD 终端应用设备: 通常是网路摄像机/网路电话/无线局域网访问终点
PD 控制转换模组: PD转换模组的功用是将48VDC电源由缆线12/36中取出转换成為直流
48V, 再经由内部或外部的直流-直流转换线路将48VDC转换成应用设备需要的12VDC或是
5VDC或是其它指定电压.
6. PoE 规范中的重要数据规范图解和限制: 请参考 Fig 2.
A>PSE 输入电压范围: 44VDC ~ 57VDC.
B>PoE 端口的输出电压: 48VDC.
C>PSE 端口的最大消耗功率: 每一个PSE端口最大能提供的消耗功率: 15.4W.
这个15.4W包含了PSE每个端口内部的功率消耗+缆线的消耗+PD终端设备的消耗.
D>PSE 端口最大的输出功率: 在48VDC的条件下, 每一个 PSE 端口能提供给PD终端设备的
最大功率是 12.95W.这个12.95W 是包含了PD控制转换模组本身会消耗掉的功率P1 + PD终端
应用设备的消耗功率P2 再加上缆线的消耗. 以本公司的标準產品PD-2005 splitter 来看, PD 控
制晶片最大会消耗掉 1.2W的功率, 加上周边的元件, PD控制转换模组本身会消耗掉大约 1.5W
左右的功率.因此真正能够提供给PD 终端应用设备的最大功率不能超过 11.5W (12.95-1.5=11
.45W)如果缆线过长, 或有过多的功率消耗在缆线上, 有可能真正能够提供给设备的功率不超过
10W. 换句话说, 应用设备的最大消耗功率如果小於 10W, 则 PSE 端口有足够的供电能力支持设
备.但是如果应用设备的最大消耗功率有可能会因為长期使用而上升超过10W, 或是基本需求就大
於10W的话, 以目前802.3af 规范的能力来说, 是没办法正常供应. 而会使该设备没法使用.
PD控制晶片也具有过载保护功能. 当PD晶片侦测到过载现象发生时, 就会关闭直流—直流转换器
动作, 停止电流输出. 在固定时间后, PD会重新啟动检验程序.
7. 相关的设计和配置重点:
PSE的供电能力:
虽然802.3af 规范最大的功率是 15.4W, 但是实际能提供给PD 终端设备的最大功率不会超过
12.95W. 如果再扣去缆线的消耗P3和 [PD控制转换模组] 的消耗P1, 最大能提供的功率最好不要
超过 10W.
PD 终端设备:
PD 设备是由 [PD控制转换模组] + [PD终端应用设备] 组成.
[PD控制转换模组]中最重要的就是 PD控制晶片. PD控制晶片本身最大会消耗掉约1.2W的功率
同时内部的直流—直流转换器的转换效率大约在85~87%左右, 因此也会有一部份功率消耗在转
换同时也產生相当的热量. 因此PD控制晶片在满载时会生大量的热量, 如果没有大面积接地及散
热片分散热量的话, PD的表面温度会急速上升. 如果不能适当的降温或散热的话, PD控制
晶片可能因為累积热能的持续破坏而导至故障.
因此PD 终端应用设备在设计配合的[PD控制转换模组]时必须预留足够的散热空间及设计避免
PD晶片因為无法散热而烧毁.
PD 的电源输入的脚位要配合网路的规格 10/100M 或 1000M 来决定是 pin12/36 或是 pin45/78.
PSE和PD 之间的距离限制以及缆线的规格:
依照 802.3af 的规范, PSE 和 PD 之间最大的距离不能超过100米. 而且缆线必须是符合EIA/TIA
568B规格的五类/超五类/六类缆线. 24#AWG 铜导线的规格: 直径 0.51.-0.52mm. 导线电阻:
100米必需小于10ohm如果使用的缆线低於EIA/TIA568B 规格的话, 将会有更多的功率消耗在缆
线上.电源供应设备的要求:
PSE设备须要长期提供足够的功率给连接的PD, 当PSE长期处在满载的状况下, 会对提供电源的
电源供应器产生相当大的压力, 连续而过大的压力会导至电源供应器老化或是转换效率低落. 当
最大的功率低於PSE需求时, PSE会自动进行保护程序, 依照4>3>2>1的顺序依序关掉端口4321.
环境因素对PD的影响:
在PSE和PD之间一定会有一根缆线连接, 在某些特殊的情况下(比如说强大的电磁场或是常打雷闪
电的情况) 可能会有巨大的涌浪能量瞬间进入缆线, 将涌浪能量直接输入到PD控制晶片的前端桥
式整流器上, 经过一段时间后很可能会逐渐损坏桥式整流器内部的接面绝缘而导至桥式电流打穿而
失效. 这种状况很难完全阻隔. 只能尽量缩短缆线的长度或是加装电磁隔离网减少电磁能量的破坏.
8. 未来:
很明显的目前802.3af规范的15.4W没办法满足现有PD设备的功率需求, 我们早已经著手依照新的
802.3at 规范设计最大输出功率能达到每端口 25W 的 PSE 及 PD 的产品.
