双向以太网供电

以太网供电 (PoE) 是一种技术，标准的以太网布线具有双重功能，既作为数据传输设施，又作为为远程设备供电的方式。这在安装简单性和互连效率方面提供了许多优势。PoE 已广泛应用于安全摄像头、IP 电话、无线接入点和智能建筑的灯具等应用中。然而，标准 PoE 也有缺点，这篇博客提出了一些有助于改进它的技术。

传统的单向以太网供电系统

最初的 PoE 标准是 IEEE 802.3af，它指定 15.4W 的 48V 发射到标准 CAT-5 双绞线以太网电缆中。后来的变体包括可以发射 30W 的 802.3at. 和可以发射 60W 或 100W 的 802.3bt。还有一些非标准的实现可以实现更高的功率或更长的距离。

PoE 系统的工作原理是从供电设备 (PSE) 端点通过 CAT-5 电缆进入受电设备 (PD) 的能量流。这种能量流不会妨碍通过完全相同的导体传输双向以太网数据。由于 5 类双绞线以太网电缆针对高速数字信号而非电力传输进行了优化，因此电缆中可能存在显着的 I 2 R 损耗。这些标准允许大约 15% 的从 PSE 发射的功率在到达 PD 之前在电缆中损耗。PSE 和 PD 上的 DC-DC 电源转换器在 PoE 线路上的大约 48V DC和两端设备中使用的内部电压之间进行转换。

以太网双向供电系统的优势

请注意，标准 PoE 中的能量流是单向的，总是从 PSE 流向 PD。这限制了 PoE 的适用性，并且如果 PSE 和 PD 需要交换角色，则还可能需要在每个方向上使用冗余 PoE 链路。我们可能希望在这些线路上双向流动的原因有几个。一种情况涉及分布式能源系统。远程端点可能有内部电池，或者可能与它们自己的能源相关联。一个典型的例子是带有集成光伏阵列和电池的路灯。在延长的黑暗时段，网络通过 PoE 供电以保持灯亮并为灯具电池充电。但是，当阳光明媚且内部电池充满电时，每个路灯上的光伏 (PV) 阵列产生的瓦特可以反向驱动 PoE，并帮助为智能高速公路网络中更深处的路由器、红绿灯和其他负载供电，或者将多余的能量卖回电网。双向 PoE 的另一个原因是容错。在关键任务物联网网络中，路由器和边缘计算机通常以双工对运行。这些设备的主要故障模式是它们的本地能源或线路供电。如果双向 PoE 端口互连两个冗余路由器，如果运行任一路由器的 AC 电网连接或电源模块发生故障，则双向 PoE 可以从其伙伴那里借用一些能量，通过 PoE 以适当的方向传输，并运行发生故障的节点，直到可以修复为止。双向 PoE 的第三种可能用例是菊花链式物联网节点线性阵列，其中电力被馈送到两端，链上每个设备上的两个以太网端口中的每一个都可以提供或吸收电力。最后，还有类似于现代笔记本电脑上 USB-C 端口的潜在用途，有时端口驱动负载，有时接受充电器电缆。许多潜在的物联网应用程序可以使用这些双向功能。

那么，单个端点如何同时充当 PSE 和 PD？诀窍是使每一端的电源转换器成为两个象限。在传统 PoE 中，电源转换器只能输入特定电压（例如 380V DC直接来自交流输入上的功率因数校正电路），并将其批量转换为 48V（通常设置得更高一些，如 54V），用于驱动 PoE 电源插入器变压器，进而驱动电缆。在 PD 处，通常还有另一个 DC-DC 转换器，它从 PoE 电缆获取 48V 并产生 PD 电路使用的中间总线电压（通常为 12V 或 3.3V）。这些单象限电源不可能逆转它们的能量流。在双向 PoE 中，两端的电源转换器转换为双象限操作，因此在收到指令时，内部开关稳压器电路可以从任一端口接收能量，执行适当的电压转换，并将能量传送到相反的端口。在当今的交换机和路由器等多输出 PoE 设备中，对于所有 PoE 端口，通常有一个大容量转换器。要将其转换为双向运行，每条 PoE 线路都必须有一个单独的专用二象限电源转换器，因为有源线路的一个子集将作为 PSE 运行，而其余线路将作为 PD 运行。

控制这些电源转换器的运行可能很棘手。该系统必须监控所有电源转换器两个端口上的电压和电流，并指示每条线路两端的转换器如何对其转换方向、开关频率、波形等进行编程。在具有容量限制的设备中——例如中央 PoE 路由器上的主电源，可能有数百个端口——控制算法必须确保进出所有端口的总能量保持在这些限制范围内。控制系统还必须在 PoE 线路切换方向时非常小心和精确同步，以避免瞬变，例如，如果电缆的两端同时被编程为高功率 PSE，则可能发生瞬变。

美国专利 9,531,551 详细介绍了双向 PoE 的工作原理、所需的两象限电源转换器的设计，以及它所依赖的复杂控制系统。使用此方案，可以实现许多高级配电架构，这将增强基于 PoE 的网络的通用性、效率和可靠性。

CHARLES C. BYERS 是工业互联网联盟的副首席技术官，现在加入了 OpenFog。他致力于边缘雾计算系统、通用平台、媒体处理系统和物联网的架构和实施。此前，他是思科的首席工程师和平台架构师，以及阿尔卡特朗讯的贝尔实验室研究员。在电信网络行业的三十年中，他在语音交换、宽带接入、融合网络、VoIP、多媒体、视频、模块化平台、边缘雾计算和物联网等领域做出了重大贡献。他还是多个标准机构的领导者，包括担任工业互联网联盟和 OpenFog 联盟的首席技术官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大学麦迪逊分校获得电气和计算机工程学士学位以及电气工程硕士学位。在业余时间，他喜欢旅行、烹饪、骑自行车和在他的工作室里修修补补。他拥有 80 多项美国专利。

审核编辑黄宇