以太網(wǎng)供電基礎知識

一般發(fā)生商業(yè)火災的第三大原因是電氣和照明設備上，典型的根本原因是電線老化或有缺陷、電路過載、連接松動、保險絲故障、電氣負載不平衡以及許多其他電氣或照明問題。這些都可能導致過熱，從而產(chǎn)生火花，最終引發(fā)火災。

主電源通過三根絕緣銅線(火線、零線和地線)傳輸長距離和短距離交流電?；鹁€承載交流電勢差(120 VAC 或 230 VAC)。零線完成電路，并保持在地電位或接近地電位(0V)。地線是一種安全線，可在發(fā)生故障時將電路接地。簡而言之，與保險絲和斷路器一樣，主電源將其總銅線的 33%(地線)用于安全。

以太網(wǎng)供電 (PoE) 通過供電設備 (PSE) 和受電設備 (PD) 之間的以太網(wǎng)電纜傳輸短距離(最長 100 米)直流電。根據(jù) PoE 標準，最多使用八根銅線來傳輸直流電，包括返回路徑。簡而言之，PoE 不會將任何銅線用于安全。從理念和架構上講，PoE 標準將安全控制從銅線(主線)轉移到硅線。這里有兩個好處：硅比銅便宜得多，而且你可以對硅進行編碼。但你不能對銅進行編碼。

2 對功率與 4 對功率

以太網(wǎng)使用 RJ45 連接器，該連接器具有八個觸點。這些觸點分為四個差分 (diff) 對(圖 2)。在 10BASE-T (10 Mbps) 和 100BASE-TX (100 Mbps) 網(wǎng)絡中，四個可用差分對中只有兩個用于傳輸數(shù)據(jù)，剩下兩個未使用。在千兆以太網(wǎng) (1 Gbps) 網(wǎng)絡中，所有四個差分對都用于數(shù)據(jù)傳輸。

利用現(xiàn)有的 10/100/1000 以太網(wǎng)基礎設施，IEEE 802.3af(現(xiàn)稱為 PoE)提供 350 mA/對、最大 57 V，IEEE 802.3at 提供 600 mA/對、最大 57 V(稱為 PoE 1)，使用這些未使用的線對傳輸電力，實現(xiàn)兩種替代模式;替代 A 或 B：

A. 替代方案 A (PSE) 或模式 A (PD) 在不同的 2 對和 3 對上傳輸電力

B. 替代方案 B (PSE) 或模式 B (PD) 在差分對 1 和 4 上傳輸電力

同時，PoE 2 或 IEEE 802.3bt 使用全部四個不同的線對以 960 mA/對的電流運行 4 對電源，最大電流為 57。這樣 PSE 的功率可達到 90 瓦。

IEEE 802.3bt (90 W) 分類

以太網(wǎng)聯(lián)盟進一步將這四種類型劃分為八個不同的類別，如圖 3 所示。對于供電設備 (PSE)，每個 PoE 2 類 (5-8) 為 15 W 切片，而對于受電設備 (PD)，每個 PoE 2 類為 11 W 切片。對類別和類型進行更精細的劃分可優(yōu)化多端口 PSE 的效率，從而為連接的 PD 提供各種電源，尤其是在連接的 PSE 端口數(shù)量增加的情況下。

IEEE 802.3af/at/bt 電源供應階段

PSE 和 PD 之間的 PoE 電源供應遵循五個不同的階段，如下圖和圖 4 所示。

· 第一階段：檢測

· 第 2 階段：分類

· 第三階段：啟動

· 第四階段：行動

· 階段 5：斷開連接

PSE 包含一個與返回電流路徑串聯(lián)的 Rsense 電阻，用于測量 PD 執(zhí)行的任何電流吸收。PD 上還有一個 25k 下拉簽名電阻，用于通知 PSE 檢測到的情況。

第一階段：檢測

當 PSE 和 PD 通過以太網(wǎng)電纜連接時，PD 會向 PSE 提供一個 25 kΩ 下拉電阻(圖 4 右)。然后，PSE 在 500 毫秒的窗口內(nèi)執(zhí)行兩次電流測量：

1) 強制 V 為 2.8 V，并測量 I

2) 強制 V 10 V，并測量 I

通過計算 ?V / ?I，如果 PSE 測量值為 19 KΩ 至 26.5 ΩK，則 PSE 可以接受該檢測為有效。否則，PSE 必須拒絕該檢測。執(zhí)行差分測量的好處是，任何周圍噪聲(干擾源)對于每次測量都是共同的，因此將被拒絕(共模抑制)。

第 2 階段。分類

在分類階段，PD 會向 PSE 公布其請求的類別特征或功率要求。分類階段分為五個類別事件或時間段，如圖 5 所示。

1) 類別特征 0：1 mA 至 4 mA

2)類別特征 1：9 mA 至 12 mA

3) 類別特征 2：17 mA 至 20 mA

4) 類別特征 3：26 mA 至 30 mA

5) 類別特征 4：36 mA 至 44 mA

此圖捕獲了每個類別事件(列)期間需要的類別特征(行)，以便識別 PD 類別(1 – 8)。例如，7 類 PD 在類別事件 1 期間將提供 40 mA，在類別事件 2 期間將提供 40 mA，在類別事件 3 至 5 期間將提供 18 mA。PSE 在每個時間事件期間測量 PD 的電流吸收，以了解 PD 的類別。

自動分類

類別事件 1 比其他類別事件長。這是 802.3bt 獨有的，802.3at 或 802.3af 則并非如此。如果 PD 也符合 802.3bt 標準，則 PD 可以在類別事件 1 中切換到類別特征 0(1 至 4 mA)81 毫秒，這會通知 802.3bt PSE，PD 也符合 802.3bt 標準并支持 Autoclass。

PD 開啟后，PD 會提供最大功率約 1.2 秒。PSE 測量 PD 功率，增加一些余量，這將成為 PSE 提供的新的優(yōu)化功率水平。

Autoclass 可優(yōu)化 PSE 功率分配。例如，如果 PD 在運行期間需要的最大功率為 65W，則該 PD 會向 PSE 標識自己為 8 類，以保證 PD 獲得 65W。如果沒有 Autoclass，PSE 將分配 90W，以確保 PD 獲得 65W。使用 Autoclass 時，PSE 可能只讀取 66.5 W(短電纜長度)，+ 1.75 W 余量 = 68.25 W 分配。功率節(jié)省為 21.75 W，或 ~25%。雖然這似乎并不重要，但如果 PSE 交換機有八個 802.3bt 端口，Autoclass 可以優(yōu)化每個端口(具有各種電纜長度)，從而總共節(jié)省數(shù)百瓦的潛在效率。

第三階段：啟動

在啟動階段，PSE 負責將 1 至 4 類的浪涌電流限制在 450 mA，將 5 至 8 類的浪涌電流限制在 900 mA。

在啟動階段，PD 負責將 1 - 6 類的負載電流限制為 400 mA，將 7 - 8 類的負載電流限制為 800 mA。

階段 4-5：操作、斷開和 MPS

維持功率特征 (MPS) 是一種保持活動功能，其中 PD 吸收來自 PSE 的周期性電流脈沖，以通知 PSE PD 尚未斷開連接。如果 PSE 在 400 毫秒后未收到來自 PD 的 MPS，則 PSE 必須斷開 PD 的電源。

IEE 802.3bt PD 應用框圖

描繪了受電設備 (PD) 的典型 802.3bt 應用圖。從左到右，變壓器將以太網(wǎng) 10/100/1000 數(shù)據(jù)交流耦合到附近的處理器。全波整流由 GreenBridge? 2 完成，比傳統(tǒng)的硅二極管橋消耗更少的功率。安森美半導體的NCP1095®(引腳 7)提供 25kΩ 檢測下拉電阻，而引腳 2 和 3 根據(jù)等級(電阻值)確定 PD 的功率要求，并在連接后的分類事件期間傳達給 PSE。引腳 6、8、9 和 10 共同控制浪涌和過流保護 (OCP)，帶有外部 Rsense 和傳輸門。與配套處理器的三位通信在引腳 13、15 和 16 上完成。引腳 14 PGO 引腳在電源輸出良好時通知下游 DCDC 設備。引腳 4 允許 NCP1095 從本地輔助電源供電，而引腳 6 控制 Autoclass，這是 802.3bt 的一項新功能。

你可以對硅進行編碼

保險絲、斷路器和地線對于防止電氣火災而言是相對遲鈍的工具，尤其是與 IEEE 802.3bt 的功能相比時。它提供的電源配置功能(例如分類、自動分類、浪涌和 MPS)要優(yōu)越得多。例如，使用主電源時，隱藏在墻壁或天花板中的嚙齒動物很容易在沒有任何警告的情況下引起電氣火災。相比之下，如果 PD 不每 400 毫秒向 PSE 提供一次 MPS，PSE 會自動斷開 PD 的電源。

很容易想象，對 PSE 進行編碼以捕獲意外斷線，從而向 IT 部門發(fā)出預警信號，從而有可能防止建筑物火災等災難性事件。同時，分類和自動分類可以智能地分配負載所需的確切功率。這是一種非常安全有效的配電方式。如前所述，硅比銅便宜得多，你可以對硅進行編碼，但不能對銅進行編碼。