對諸如IP 電話、無線接入點以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控攝像頭等需要持續(xù)供電的各種連網(wǎng)設(shè)備來說，不必再連接自己的交流電源。這些設(shè)備無需放在交流電源插座附近，所以可以省掉電源電纜。

在PoE系統(tǒng)中，通過現(xiàn)有以太網(wǎng)接受電源的客戶端設(shè)備叫做受電設(shè)備(PD)，為PD提供電源的設(shè)備叫供電設(shè)備(PSE)。PD的功耗限制在12.95W，PSE 輸出限制為每個RJ-45 端口15.4W。在以太網(wǎng)連接電纜和物理層設(shè)備(PHY)變壓器保持良好平衡的情況下，每個PD最多可以獲取350mA的連續(xù)電流。

考慮到沿CAT-5以太網(wǎng)傳輸線（可達(dá)100米長）的電壓降，IEEE標(biāo)準(zhǔn)為PD和PSE規(guī)定了不同的功率額定值。在較長的鏈路上電壓降會更明顯，因此 PSE 的輸出電壓要高于標(biāo)稱的 48VDC，以使 PD 獲得最大功率。因此，在以太網(wǎng)鏈路上到處都可以見到高達(dá)57VDC 的電壓。

大多數(shù)PoE 網(wǎng)絡(luò)可以采用端點(endpoint)或中跨式(midspan)PSE 實現(xiàn)。端點PSE在單個設(shè)備里集成了以太網(wǎng)交換機(jī)和電源，它被放置在以太網(wǎng)鏈路的另一端。因為在以太網(wǎng)鏈路的端點已存在電源，這種類型的PSE提供了實現(xiàn)PoE網(wǎng)絡(luò)的最簡便的方法。這種以太網(wǎng)交換機(jī)有時也稱為已具備“線上電源”(inline power)。如圖 1所示，端點PSE很適合用來部署新的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

圖 1：對端點PSE和PD設(shè)備來說，電源是通過信號線對分配的

這種類型的PSE提供了實現(xiàn)一個PoE網(wǎng)絡(luò)最簡便的方法，因為電源已經(jīng)通到了以太網(wǎng)連接的端點上。

對于那些不能用這種方式升級的現(xiàn)有以太網(wǎng)，可以采用中跨式PSE，將電源插入到以太網(wǎng)里。中跨式PSE可以通過CAT-5電纜中的“空閑線對”提供電源，如果只有幾個以太網(wǎng)設(shè)備需要供電，這是一個最具成本效益的方法。例如有4至24端口的局域網(wǎng)，它可以是更大規(guī)模的多端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分（見圖2）。端點PSE與中跨式PSE不同之處在于它的供電選擇方式——可以與信號線在同一線對上，也可以在空閑線對上。一般來說，一個PSE必須能夠通過信號線對或空閑線對提供電源，但不必兩者都用。

圖 2：對中跨式PSE和PD設(shè)備來說，電源是通過空閑線對分配的

中跨式PSE方法更適用于不進(jìn)行大規(guī)模變動的現(xiàn)有以太網(wǎng)。

雖然看似簡單，但設(shè)計這種系統(tǒng)要付出相當(dāng)?shù)呐?。它們必須具備向后兼容性，以保證老設(shè)備不會在以太網(wǎng)上接到48VDC電壓。IEEE 802.3af包含了向后的兼容性，并且包括了為以太網(wǎng)供電的可選擇性，因而也具備向前兼容性。對于一位設(shè)計人員，如果他正在開發(fā)的產(chǎn)品計劃運行在新的或現(xiàn)有系統(tǒng)——用于千兆以太網(wǎng)或 1000BASE-T/TX，從本文中將會得到一些啟示。

面對千兆以太網(wǎng)的電纜選擇

千兆以太網(wǎng)可以與端點PSE一同工作，但不能采用中跨式PSE，因為它把CAT-5電纜中的所有四對線都用于數(shù)據(jù)傳輸。與之相比，10BASE-T 和 100BASE-TX 只用兩對線傳輸數(shù)據(jù)（線對1-2和3-6），留下的空閑線對（4-5和7-8）可以引入中跨式電源。因此，為了給千兆以太網(wǎng)提供線路供電，就需要端點 PSE 交換機(jī)。

IEEE 802.3af支持CAT-3電纜，因為它最初用于10BASE-T系統(tǒng)。但是，為了最大限度地保證新網(wǎng)絡(luò)部署中信號的完整性，并且考慮到每次電纜鋪設(shè)一般有10年的使用期，我們推薦使用盡可能高等級的以太網(wǎng)電纜（CAT-5e 或 CAT-6）。千兆以太網(wǎng)（具體講是 1000BASE-T）需要CAT-5電纜，但有些使用CAT-5的應(yīng)用以及千兆以太網(wǎng)交換機(jī)已經(jīng)接近其最低限度的邊緣。因此，最新的 1000BASE-TX 標(biāo)準(zhǔn)要求使用 CAT-6 電纜，而最初的1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)要求使用CAT-5電纜。

檢測PD

當(dāng)PSE連接到以太網(wǎng)上時，PSE必須檢測每個以太網(wǎng)設(shè)備是否需要供電。因此，PD必須表現(xiàn)出與老式以太網(wǎng)設(shè)備不同的特征。在檢測時，PSE進(jìn)行的是V-I測量，同時用一個 2.7V至10.1V的限流電壓對信號線進(jìn)行探測。表 1 列出了作為一個有效PD在檢測時所必備的標(biāo)準(zhǔn)。所允許的1.9V偏差是通常用于控制電壓極性的二極管橋路產(chǎn)生的。由于PD必須向后兼容于中跨式PSE應(yīng)用，所以每個PD需要兩個這樣的二極管橋路（見圖3）。10μA的電流偏移通常是由于PD內(nèi)的泄漏引起的。表2列出了另一個標(biāo)準(zhǔn)集，任何沒有通過這個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備都是無效的PD。
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表1：所有標(biāo)準(zhǔn)都通過中跨PSE或端點PSE檢測后，才是一個有效的PD

表2：跨式PSE或端點PSE對所有以下標(biāo)準(zhǔn)的檢測可以判定以太網(wǎng)設(shè)備是否為無效PD

PD 的功率分級

推動電源與以太網(wǎng)相結(jié)合的最早動力是語音 IP電話(VoIP)。因為有非常多的以太網(wǎng)設(shè)備（RFID閱讀器、PDA充電器、移動電話甚至筆記本電腦等）可以采用這種方便的供電方式，因此 IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)包括了一個可選的特性，名為功率分級(Power Classification)，它可以讓PSE更準(zhǔn)確地管理功率預(yù)算。表3列出了一臺 PD 可以提供的不同功率等級(Power Classes)，以及各自相應(yīng)的分級標(biāo)志(Classification Signatures)。

表3：為最大限度的使用系統(tǒng)資深PSE使用PD電深的五個等級和分級標(biāo)志來分配它的功率預(yù)算

為實現(xiàn)可選的功率分級方法，PSE先施加一個14.5V至20.5V的探測電壓。PD發(fā)出一個標(biāo)志（分級電流）作為回應(yīng)，該標(biāo)志向PSE指示PD可以消耗的最大功率。這一信息使PSE交換機(jī)在任何時候都能管理提供給所連接PD的最大功率。你可以通過選擇一個適當(dāng)?shù)腜SE控制器IC，實現(xiàn)另一個IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)以外的功能，即對 PSE 各個端口的輸出功率進(jìn)行硬件的限制。

除非網(wǎng)絡(luò)主管保證所有的PD都不會換成功耗更大的設(shè)備，否則有時交換機(jī)預(yù)計的功率預(yù)算會出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。在這種情況下，PSE 將拒絕為該端口供電，直到PD的功率分級符合要求為止。

另一個在突發(fā)情況下很靈活的功能就是，PSE可以決定哪個端口優(yōu)先接受電源，或者當(dāng) UPS 或備用發(fā)電機(jī)快要耗盡能量時決定先斷掉哪個端口。這樣交換機(jī)就可以保持對最重要端口的供電，如火警電話、出入證件閱讀機(jī)、某些監(jiān)控攝像頭以及接入點，或者其它數(shù)據(jù)電路。PSE 控制器IC中帶有這種故障恢復(fù)功能——這可以通過硬件實現(xiàn)或軟件編程實現(xiàn)——有助于將緊急情況下的功率預(yù)算降到最低程度。此時，應(yīng)找一個可軟件編程的 PSE控制器IC。

對斷開連接PD的檢測

在PSE開始為一臺PD供電后，它必須監(jiān)控符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD“保持供電”(Maintain Power)標(biāo)志。PSE 還必須檢測PD是否已經(jīng)斷開連接。標(biāo)準(zhǔn)定義了檢測PD斷線的交流和直流方法。例如，我們可以考慮這樣一種情況：一臺PD從交換機(jī)上拔下，馬上有一臺老式以太網(wǎng)設(shè)備插入同一個端口。如果在PD移走后48VDC電源沒有及時斷開，老式設(shè)備就可能損壞。

對一臺 PD 進(jìn)行交流阻抗測量一般要比純直流電阻的測量更準(zhǔn)確。一個小的共模交流電壓同數(shù)據(jù)信號和48VDC一起同時沿以太網(wǎng)鏈路傳遞下去。然后你就可以測量交流電流，并計算各端口的阻抗，該阻抗值應(yīng)小于 26.25kΩ（在 PD 未拔出的情況下）。這個交流電壓的頻率必須在1MHz和100MHz之間。有關(guān)斷線檢測交、直流方法的更多細(xì)節(jié)，設(shè)計者應(yīng)查閱 IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)。無論采用哪種方法，測量與隨后中止供電的速度都要足夠快。

芯片中的先進(jìn)特性

在所有已面市的多端口PSE芯片中，最常見的是可控制四端口線上電源的PSE控制器。可以尋找那些帶I2C兼容的串行接口，帶有可編程寄存器，便于配合 MCU使用。多工作模式的優(yōu)勢對于緊急事件更顯重要。

舉例來說，Maxim的MAX5935提供自動、半自動、手動、關(guān)斷以及調(diào)試等運行模式。自動模式可以使器件在沒有軟件管理的情況下運行。半自動模式（根據(jù)請求）對連接到一個端口上的設(shè)備進(jìn)行不間斷的檢測與分級，但只在軟件指定的情況下才為該端口供電。手動模式在系統(tǒng)診斷時非常有用，可以通過軟件實現(xiàn)對設(shè)備完全的控制。關(guān)斷模式終止所有的活動，切斷各端口的電源。最后，調(diào)試模式可以通過設(shè)備狀態(tài)機(jī)的精細(xì)步進(jìn)，作詳細(xì)的系統(tǒng)診斷。

圖 3：由于千兆PoE網(wǎng)絡(luò)連接使用所有四個線對來傳輸數(shù)據(jù)，不能用中跨PSE方法來為PD供電

100BASE-TX和10BASE-T的回退模式照例可以用于數(shù)據(jù)傳輸。所以，在千兆以太網(wǎng)上運行的PD必須由一個端點PSE交換機(jī)供電。

圖3是PoE系統(tǒng)設(shè)計的一個實例，這個簡化的框圖演示了使用千兆以太網(wǎng)PSE與PD的連接。由于千兆以太網(wǎng)不能引入中跨式電源，所以 100/10M 以太網(wǎng)模式也只能連接到一個端點PSE交換機(jī)上（MAX5940 PD接口控制器不需要二極管橋，但也可以在需要時帶二極管橋工作）。今天的PD接口控制器IC（如MAX5941和MAX5942）包括一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器，雖然PD一般都包括一個 DC/DC 變換器。