以太网供电（PoE）通过以太网电缆在电源设备（PSE）和受电设备（PD）之间传输短途（高达100米）直流电。

[编者按：通过同一根电缆提供电源和数据的便利性令人信服，正如USB已经成为许多消费设备无处不在的电源一样，以太网供电（PoE）为商业和工业应用带来了多种好处上一篇文章在这个由两部分组成的系列中，描述了PoE在其中一些应用中的作用。]

根据美国国家消防协会（NFPA）的说法，美国商业火灾的第三大原因是电气和照明设备。典型的根本原因是接线陈旧或有缺陷、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。这些会导致过热，产生火花，最终引发火灾。

市电通过三根绝缘铜线传输长距离和短距离交流电力：带电、中性和接地。带电导线携带交流电势差（120伏交流电或230伏交流电）。中性线完成电路，并保持在或接近接地电位，或0V。接地线是一种在发生故障时使电路接地的安全线。简言之，除了保险丝和断路器外，市电将其总铜（地线）的33%用于安全。


图1：2.5 mm2实心铜干线（左）的横截面，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）通过以太网电缆在电源设备（PSE）和受电设备（PD）之间传输短途（高达100米）直流电。根据PoE标准，最多可使用八根铜线来传输直流电，包括回路。简言之，PoE不会将任何铜用于安全。从哲学和架构上讲，PoE标准将安全控制从铜（电源）转移到了硅。这里有两个好处；硅比铜便宜得多，而且你可以对硅进行编码。你不能对铜进行编码。

2对电源与4对电源

以太网使用RJ45连接器，该连接器具有八个触点。它们被分为四个差分（diff）对（图2）。在10BASE-T（10Mbps）和100BASE-TX（100Mbps）网络中，可用的四个diff对中只有两个用于传输数据，这使得两个对未使用。在千兆以太网（1Gbps）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350mA/pair，最大57V）和IEEE 802.3at（提供600mA/pair、最大57V（称为PoE1））使用这些未使用的对提供电力，实现了两种替代模式；备选方案A或B：

A.备选方案A（PSE）或模式A（PD）在不同的对2和3上传输功率

B.备选方案B（PSE）或模式B（PD）在差异对1和4上传输功率

同时，PoE 2，或IEEE 802.3bt，通过使用所有四个不同的对，以960毫安/对的最大值57工作在4对电源上。这在PSE处实现了90瓦特。


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划分为八个不同的类，如图3所示。对于电源设备（PSE），每个PoE 2类（5-8）是15W的片，而每个PoE 2中的被供电设备（PD）是11W的片。类与类型的精细划分优化了多端口PSE的效率，为连接的PD提供各种电源，尤其是随着连接的PSE端口数量的增长。


图3:IEEE 802.3bt分类

IEEE 802.3af/at/bt电源供应阶段

PSE和PD之间的PoE电源供应遵循五个不同的阶段，如下图和图4所示。

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


图4：PoE电源供应阶段（来源：以太网联盟）

阶段1。侦查

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

1） 力V 2.8 V，测量值I

2） 力V 10 V，测量I

通过计算∆V/∆I，如果PSE的测量范围为19 KΩ至26.5ΩK，则PSE可以接受有效检测。否则，PSE必须拒绝检测。执行差分测量的好处是，任何周围噪声（侵略者）对于每个测量都是公共的，因此将被拒绝（共模拒绝）。

第2阶段。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间段，如图5所示。

1） 类别特征0:1 mA至4 mA

2） 类别特征1:9 mA至12 mA

3） 类别特征2:17 mA至20 mA

4） 类别特征3:26 mA至30 mA

5） 类别特征4:36 mA至44 mA


图5。由PD生成的类签名

此图捕获了在每个类事件（列）期间需要的类签名（行），以便识别PD类（1-8）。例如，7级PD在1级事件期间将提供40 mA，在2级事件期间提供40 mA以及在3至5级事件期间为18 mA。PSE在每个时间事件期间测量PD的电流下沉，以学习PD的类别。

PSE负责施加下图6所示的电压，而PD负责吸收多达五个不同的电流水平，称为类特征。


图6：类别签名和当前级别

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802.3at或802.3af并非如此。如果PD也符合802.3bt，则PD可以在类事件1发生81毫秒后更改为类签名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提供其最大功率约1.2秒。PSE测量PD功率，增加一些裕度，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，则PD会将自己标识为PSE的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可能只读取66.5 W（短电缆长度），+1.75 W裕度=68.25 W分配。节省的功率为21.75 W，即约25%。尽管这似乎并不重要，但如果PSE交换机有八个802.3bt端口，Autoclass可以优化每个端口（具有各种电缆长度），从而节省数百瓦的总潜在效率。

第3阶段：启动

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

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

第4-5阶段：操作、断开和MPS

维持功率特征（MPS）是一种保活功能，其中PD吸收来自PSE的周期性电流脉冲，以通知PSE PD尚未断开。如果PSE在400毫秒后没有从PD接收到MPS，则PSE必须断开PD的电源。

IEE 802.3bt PD应用程序框图

图7描述了一个典型的802.3bt供电设备（PD）应用程序图。从左向右移动，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完成™ 2，比传统的硅二极管桥消耗更少的功率。ON半导体公司的NCP1095®（引脚7），表示25kΩ检测下拉电阻器，而引脚2和3按类别（电阻器值）确定PD的功率要求，在连接后的分类事件期间传达给PSE。引脚6、8、9和10共同控制具有外部Rsense和通过门的浪涌和过电流保护（OCP）。到配套处理器的三位通信是在引脚13、15和16上完成的。引脚14 PGO引脚在功率输出良好时通知下游DCDC设备。引脚4允许NCP1095从本地辅助电源通电，而引脚6控制802.3bt的新功能Autoclass。


图7:802.3bt应用程序图

ON Semiconductor还提供NCP1096控制器，该控制器集成了外部FET和Rsense。

你可以对硅进行编码

保险丝、断路器和接地线是防止电气火灾的相对钝的仪器，尤其是与IEEE 802.3bt的功能相比。它提供的电源供应功能，如分类、自动分类、浪涌和MPS，要优越得多。例如，有了主电源，藏在墙上或天花板上的啮齿动物很容易在没有任何警告的情况下引发电气火灾。相反，如果PD没有每400毫秒向PSE提供一个MPS，PSE会自动断开PD的电源。

人们可以很容易地想象，对PSE进行编码以捕获计划外的断开连接，这会向IT部门触发预警标志，从而有可能防止建筑火灾等灾难性事件。同时，Classification和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。就像前面提到的，硅比铜便宜得多，你可以对硅进行编码，但不能对铜进行编码。

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，电力电子新闻.

鲍勃·卡德是ON Semiconductor高级解决方案集团的美洲市场经理。