驱动高功率以太网络供电技术的分析和设计 - 全文

以太网络供电 (PoE) 技术能够透过标准 Cat-5 电缆进行供电，完全不需要透过墙面转接器或其它外部电源，就能够驱动网络设备。这类系统需要两项主要组件，分别是供电的电源供应设备 (power sourcing equipment, PSE) 及接收并使用这个电源的动力装置 (power device, PD)，如图1。

图 1  具备电源设备及供电装置的典型 PoE 网络示意图
 

目前有许多已开发的实用PoE 应用，然而，新推出的应用所需要的功率高于现今 802.3af 标准所定义的功率限制，也就是为用电装置端提供约 13 W 的功率。现今需要新的 PoE+ 标准以满足增加功率的需求，但这项新标准仍未定义完成。在新标准出炉前，势必要能够针对所需功率高于现今可提供功率的 PD 负载进行供电。

高功率 PoE 的系统需求

任何采用 Cat-5 电缆的高功率解决方案都必须符合下列基本规范：

• 不得造成以太网络缆线、电源供应设备 (PSE) 或 PD 过热

• 不得造成电流不均衡，以避免变压器饱和的危险
• 必须将操作电压维持在 802.3af 标准电压范围内
 

任何解决方案应该尽可能提供下列功能：
• 与 802.3af 标准兼容：搜寻、分类、电流消耗、欠压封锁（undervoltage lockout）、流入电流（in-rush current）、电流限制等
• 具备电源管理功能
• 电缆装置时的损坏电线侦测

在较高电压下运作

802.3af 标准规定 PSE 输出电压介于 44 至 57 V 之间，且 PSE ICUT (表示耗电过载的程度) 最低为 350 mA，而 ILIM (表示可能的最高耗电量) 最低为 400 mA。使用长度为 100 公尺且最坏情况馈电电阻为 20 的缆线时，在允许最低电压运作的状况下，PD 输入受限为 12.95 W。

若要提供更多的电源，只需要以接近 57 V 限制的较高母线电压进行运作即可。该解决方案的优点是提升系统效能，并降低缆线与 PSE 及 PD 输入阶段的耗损。

现有的 Cat-5 电缆安装仍可继续使用，因为缆线耗损并未增加，而且只要遵照设计规则进行，确保不会造成任何不良状况，此解决方案出现电线不均衡与磁性饱和等风险的机率便不会大于标准 PoE 安装方式。另外，此解决方案与 802.3af 标准兼容，并且使用与 802.3af 装置相同的磁性组件。

若要使此解决方案发挥效用，提供输入电压的切换式电源供应必须以较严格的容差（tolerance）进行调节。例如，如果偏差介于 53 至 57 V 之间，则在电源供应的过压防护之外，需要 ±3.5% 电压容差。

如今，Cat-5 铜质通信配线已成为宽带服务的最低需求，其中采用的标准是 EIA/TIA-568，而 Cat-5 电缆的设计采用 24 AWG 导体，因此最坏情况馈电电阻为 12.5。

通过四对电缆供电

为达到更高电压的更高功率需求，将所有四对电缆与两个 PSE 操作端口搭配使用是可行的解决方案（如图2）。采用此解决方案时，仍可达到上述的所有优点，而 PD 端的设计人员可以选择以串联或并联方式连接 DC/DC 电源供应。

图 2  运用现有解决方案管理高功耗装置

若要使解决方案确实可行，设计人员必须确保各个馈电之间都能共享可接受的电流分配 (电流分配不可与各对线之内的平衡相混淆)。由于各个馈电都有个别的二极管与二极管电桥 (负温度系数)、保险丝，以及电阻组件，而各个 PD 都有负输出阻抗的切换式电源供应，因此建置时必须小心谨慎。另外，可以在 PSE 端使用两种不同电压的电源来驱动每一对线，以达到两种不同的电压等级。如果分配不均，达到的电流限制将远低于预期的总电流。

透过双对线增加供电

若要使用双对线增加供电，可行的解决方案是提高电压使每一对的电流增加。在这类应用中，PD 及 PSE 上设定的电流限制高于现今 802.3af 标准所定义的限制。

PD 及 PSE 电源组件必须有较高的电流能力，这对于数据变压器组件而言尤其重要。我们可以预估在同一对线中两条电线之间的直流电流不平衡状况会高于 802.3af 标准规格，然而，不论直流电流的状况为何，都务必维持讯号的完整性。

现有的 Cat-5 电缆安装仍可继续使用，由于周围环境温度与缆线温度会随着电线散出的热能而升高，因此必须确保不超过额定上限的缆线温度。

强烈建议线缆内只有几条缆线出现较高的电流，以避免线缆的内部电线出现高温上升的状况。此外，也必须根据接合力/分离力 (电容与电感负载) 以及电流传导能力来选择连接器。

对于电源需求高于 802.3af 标准的 PD 负载，可以使用双对线或四对线解决方案，然而，这两种解决方案无法使 PSE 预估 PD 尚需多少电量 (超出 802.3af 标准限制的部分)，也无法预估应该使用一个连接埠或并用两个连接埠，而且 PD 也无法得知 PSE 在标准状况下能够再提供多少电量。