一文解析以太网供电基础

根据美国国家消防协会 （NFPA） 的统计，美国商业火灾的第三大原因是电气和照明设备。典型的根本原因是布线陈旧或有缺陷、电路过载、连接松动、保险丝故障、电气负载不平衡以及许多其他电气或照明问题。这些可能导致过热，从而产生最终点燃火灾的火花。

主电源通过三根绝缘铜线传输长距离和短距离交流电：火线、零线和地线。火线承载交流电势差（120 VAC 或 230 VAC）。中性线完成电路并保持在或接近地电位或0V。地线是安全线，可在发生故障时将电路接地。简而言之，与保险丝和断路器一起，主电源将其总铜（接地线）的 33% 用于安全。

图 1：2.5 mm2 实心铜电源线的横截面（左），旁边是相同比例的实心铜 23 AWG CAT6 电缆（右）（来源：以太网联盟）

以太网供电 （PoE） 通过供电设备 （PSE） 和受电设备 （PD） 之间的以太网电缆传输短距离（最长 100 米）直流电。根据 PoE 标准，最多使用八根铜线来传输直流电源，包括返回路径。简而言之，PoE 没有将任何铜线用于安全。在哲学和架构上，PoE 标准将安全控制从铜（电源）转移到硅。这里有两个好处；硅比铜便宜得多，您可以对硅进行编码。你不能对铜进行编码。

2 对电源与 4 对电源

以太网使用具有八个触点的 RJ45 连接器。它们分为四个差分 （diff） 对（图 2）。在 10BASE-T （10 Mbps） 和 100BASE-TX （100 Mbps） 网络中，四个可用的差分对中只有两个用于传输数据，这两个对未使用。在千兆以太网 （1 Gbps） 网络中，所有四个 diff 对都用于数据传输。

利用现有的 10/100/1000 以太网基础设施，IEEE 802.3af（现在称为 PoE），提供 350 mA/对，最大 57 V 和 IEEE 802.3at，提供 600 mA/对，最大 57 V（称为 PoE 1） 使用这些未使用的线对供电，实现两种替代模式；备选方案 A 或 B：

A. 替代 A （PSE） 或模式 A （PD） 在差异上传输电源。第 2 对和第 3 对

B. 备选方案 B （PSE） 或模式 B （PD） 在 diff 上传输功率。第 1 对和第 4 对

同时，PoE 2 或 IEEE 802.3bt 通过使用所有四个 diff 以 4 对电源运行。对以 960 mA/对最大为 57。这在 PSE 处达到 90 瓦。

图 2：2 对电源与 4 对电源

IEEE 802.3bt （90 W） 分类

以太网联盟进一步将这四种类型分为八个不同的类别，如图 3 所示。对于供电设备 （PSE），每个 PoE 2 类别 （5-8） 为 15 W 切片，而每个 PoE 2 类别为 11 W受电设备 （PD） 的切片。类与类型的更精细切片优化了多端口 PSE 的效率，为连接的 PD 提供各种电源，尤其是随着连接的 PSE 端口数量的增加。

图 3：IEEE 802.3bt 分类

IEEE 802.3af/at/bt 供电阶段

PSE 和 PD 之间的 PoE 供电遵循五个不同的阶段，如下图和图 4 所示。

第一阶段：检测

第二阶段：分类

第三阶段：启动

第 4 阶段：运营

阶段 5：断开连接

PSE 包含一个与返回电流路径串联的 Rsense 电阻器，用于测量 PD 执行的任何电流吸收。PD 上还有一个 25k 下拉特征电阻，用于通知 PSE 检测到。

图 4：PoE 供电阶段（来源：以太网联盟）

阶段 1. 检测

当 PSE 和 PD 通过以太网电缆连接时，PD 向 PSE 提供一个 25 kΩ 下拉电阻（图 4 右）。然后 PSE 在 500 毫秒窗口内执行两次电流测量：

1） 强制 V 2.8 V，并测量 I

2） 强制 V 10 V，并测量 I

通过计算 ΔV / ΔI，如果 PSE 测量范围为 19 KΩ 至 26.5 ΩK，则 PSE 可以接受检测为有效。否则，PSE 必须拒绝检测。执行差分测量的好处是任何周围的噪声（干扰源）对于每个测量都是公共的，因此会被拒绝（共模抑制）。

阶段 2. 分类

在分类阶段，PD 向 PSE 宣布其请求的类签名或功率要求。分类阶段分为五个类事件或时隙，如图 5 所示。

1） 类签名 0：1 mA 至 4 mA

2） 类签名 1：9 mA 至 12 mA

3） 类签名 2：17 mA 至 20 mA

4） 类签名 3：26 mA 至 30 mA

5） 类签名 4：36 mA 至 44 mA

图 5. PD 生成的类签名

该图捕获了在每个类事件（列）期间需要哪个类签名（行），以便识别 PD 类（1-8）。例如，7 类 PD 在类事件 1 期间提供 40 mA，在类事件 2 期间提供 40 mA，在类事件 3 到 5 期间提供 18 mA。PSE 在每个时间事件期间测量 PD 的灌电流以了解 PD 的类别。

PSE 负责强制施加下图 6 中描述的电压，而 PD 负责吸收多达五个不同的电流水平，称为类签名。

图 6：类签名和当前级别

自动分类

如图 5 所示，类事件 1 比其他类事件长。这是 802.3bt 独有的，而不是 802.3at 或 802.3af 的情况。如果 PD 也符合 802.3bt，则 PD 可以在 Class Event 1 的 81 毫秒内更改为类签名 0（1 到 4 mA），这会通知 802.3bt PSE PD 也是 802.3bt 并支持 Autoclass。

PD 开启后，PD 提供最大功率约 1.2 秒。PSE 测量 PD 功率，增加一些余量，这成为 PSE 提供的新的优化功率水平。

Autoclass 优化 PSE 功率分配。例如，如果 PD 在运行期间需要最大 65W 的功率，则 PD 会将自己标识为 PSE 的第 8 类，以保证 PD 的 65W。如果没有 Autoclass，PSE 将分配 90W，以确保 PD 获得 65W。使用 Autoclass，PSE 可能仅读取 66.5 W（短电缆长度），+ 1.75 W 余量 = 68.25 W 分配。节电为 21.75 W，或约 25%。尽管这看起来并不重要，但如果 PSE 交换机有 8 个 802.3bt 端口，Autoclass 可以优化每个端口（具有各种电缆长度），从而可能节省数百瓦的总效率。

第三阶段：启动

在启动阶段，PSE 负责将 1 至 4 类的浪涌电流限制为 450 mA，将 5 至 8 类的浪涌电流限制为 900 mA。

在启动阶段，PD 负责将 1 – 6 类的负载电流限制为 400 mA，将 7 – 8 类的负载电流限制为 800 mA。

阶段 4-5：操作、断开和 MPS

保持功率签名 （MPS） 是一种保活功能，其中 PD 从 PSE 接收周期性电流脉冲，以通知 PSE PD 尚未断开连接。如果 PSE 在 400 毫秒后没有收到来自 PD 的 MPS，则 PSE 必须断开 PD 的电源。

IEE 802.3bt PD 应用框图

图 7 描绘了受电设备 （PD） 的典型 802.3bt 应用图。从左到右，变压器 AC 将以太网 10/100/1000 数据耦合到附近的处理器。全波整流由 GreenBridge™ 2 完成，比传统的硅二极管电桥消耗更少的功率。ON Semiconductor ®的 NCP1095（引脚 7）提供 25kΩ 检测下拉电阻，而引脚 2 和 3 按类别（电阻值）确定 PD 的功率要求，在连接后的分类事件期间与 PSE 通信。引脚 6、8、9 和 10 通过外部 Rsense 和传输门共同控制浪涌和过流保护 （OCP）。与配套处理器的三位通信在引脚 13、15 和 16 上完成。引脚 14 PGO 引脚在电源输出良好时通知下游 DCDC 设备。引脚 4 允许 NCP1095 从本地辅助电源供电，而引脚 6 控制 Autoclass，这是 802.3bt 的新功能。

图 7：802.3bt 应用图

ON Semiconductor 还提供集成了外部 FET 和 Rsense 的 NCP1096 控制器。

您可以对硅进行编码

保险丝、断路器和地线是用于防止电气火灾的相对钝器，尤其是与 IEEE 802.3bt 的特性相比时。它提供的电源配置功能，例如分类、自动分类、浪涌和 MPS，都非常出色。例如，在使用市电时，隐藏在墙壁或天花板中的啮齿动物很容易在没有任何警告的情况下引起电气火灾。相反，如果 PD 没有每 400 毫秒向 PSE 提供 MPS，则 PSE 会自动断开 PD 的电源。

人们可以很容易地想象编写一个 PSE 来捕获计划外的断开连接，这会触发 IT 部门的早期警告标志，从而有可能防止诸如建筑物火灾之类的灾难性事件。同时，Classification and Autoclass 智能地分配负载所需的确切功率。这是一种非常安全有效的配电方式。如前所述，硅比铜便宜很多，您可以对硅进行编码，但不能对铜进行编码。