驅(qū)動高功率以太網(wǎng)絡(luò)供電技術(shù)的分析和設(shè)計

以太網(wǎng)絡(luò)供電 (PoE) 技術(shù)能夠透過標準 Cat-5 電纜進行供電，完全不需要透過墻面轉(zhuǎn)接器或其它外部電源，就能夠驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這類系統(tǒng)需要兩項主要組件，分別是供電的電源供應(yīng)設(shè)備 (power sourcing equipment, PSE) 及接收并使用這個電源的動力裝置 (power device, PD)，如圖1。

圖 1  具備電源設(shè)備及供電裝置的典型 PoE 網(wǎng)絡(luò)示意圖
 

目前有許多已開發(fā)的實用PoE 應(yīng)用，然而，新推出的應(yīng)用所需要的功率高于現(xiàn)今 802.3af 標準所定義的功率限制，也就是為用電裝置端提供約 13 W 的功率?，F(xiàn)今需要新的 PoE+ 標準以滿足增加功率的需求，但這項新標準仍未定義完成。在新標準出爐前，勢必要能夠針對所需功率高于現(xiàn)今可提供功率的 PD 負載進行供電。

高功率 PoE 的系統(tǒng)需求

任何采用 Cat-5 電纜的高功率解決方案都必須符合下列基本規(guī)范：

• 不得造成以太網(wǎng)絡(luò)纜線、電源供應(yīng)設(shè)備 (PSE) 或 PD 過熱

• 不得造成電流不均衡，以避免變壓器飽和的危險
• 必須將操作電壓維持在 802.3af 標準電壓范圍內(nèi)
 

任何解決方案應(yīng)該盡可能提供下列功能：
• 與 802.3af 標準兼容：搜尋、分類、電流消耗、欠壓封鎖（undervoltage lockout）、流入電流（in-rush current）、電流限制等
• 具備電源管理功能
• 電纜裝置時的損壞電線偵測

在較高電壓下運作

802.3af 標準規(guī)定 PSE 輸出電壓介于 44 至 57 V 之間，且 PSE ICUT (表示耗電過載的程度) 最低為 350 mA，而 ILIM (表示可能的最高耗電量) 最低為 400 mA。使用長度為 100 公尺且最壞情況饋電電阻為 20 的纜線時，在允許最低電壓運作的狀況下，PD 輸入受限為 12.95 W。

若要提供更多的電源，只需要以接近 57 V 限制的較高母線電壓進行運作即可。該解決方案的優(yōu)點是提升系統(tǒng)效能，并降低纜線與 PSE 及 PD 輸入階段的耗損。

現(xiàn)有的 Cat-5 電纜安裝仍可繼續(xù)使用，因為纜線耗損并未增加，而且只要遵照設(shè)計規(guī)則進行，確保不會造成任何不良狀況，此解決方案出現(xiàn)電線不均衡與磁性飽和等風險的機率便不會大于標準 PoE 安裝方式。另外，此解決方案與 802.3af 標準兼容，并且使用與 802.3af 裝置相同的磁性組件。

若要使此解決方案發(fā)揮效用，提供輸入電壓的切換式電源供應(yīng)必須以較嚴格的容差（tolerance）進行調(diào)節(jié)。例如，如果偏差介于 53 至 57 V 之間，則在電源供應(yīng)的過壓防護之外，需要 ±3.5% 電壓容差。

如今，Cat-5 銅質(zhì)通信配線已成為寬帶服務(wù)的最低需求，其中采用的標準是 EIA/TIA-568，而 Cat-5 電纜的設(shè)計采用 24 AWG 導體，因此最壞情況饋電電阻為 12.5。
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通過四對電纜供電

為達到更高電壓的更高功率需求，將所有四對電纜與兩個 PSE 操作端口搭配使用是可行的解決方案（如圖2）。采用此解決方案時，仍可達到上述的所有優(yōu)點，而 PD 端的設(shè)計人員可以選擇以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接 DC/DC 電源供應(yīng)。

圖 2  運用現(xiàn)有解決方案管理高功耗裝置

若要使解決方案確實可行，設(shè)計人員必須確保各個饋電之間都能共享可接受的電流分配 (電流分配不可與各對線之內(nèi)的平衡相混淆)。由于各個饋電都有個別的二極管與二極管電橋 (負溫度系數(shù))、保險絲，以及電阻組件，而各個 PD 都有負輸出阻抗的切換式電源供應(yīng)，因此建置時必須小心謹慎。另外，可以在 PSE 端使用兩種不同電壓的電源來驅(qū)動每一對線，以達到兩種不同的電壓等級。如果分配不均，達到的電流限制將遠低于預期的總電流。

透過雙對線增加供電

若要使用雙對線增加供電，可行的解決方案是提高電壓使每一對的電流增加。在這類應(yīng)用中，PD 及 PSE 上設(shè)定的電流限制高于現(xiàn)今 802.3af 標準所定義的限制。

PD 及 PSE 電源組件必須有較高的電流能力，這對于數(shù)據(jù)變壓器組件而言尤其重要。我們可以預估在同一對線中兩條電線之間的直流電流不平衡狀況會高于 802.3af 標準規(guī)格，然而，不論直流電流的狀況為何，都務(wù)必維持訊號的完整性。

現(xiàn)有的 Cat-5 電纜安裝仍可繼續(xù)使用，由于周圍環(huán)境溫度與纜線溫度會隨著電線散出的熱能而升高，因此必須確保不超過額定上限的纜線溫度。

強烈建議線纜內(nèi)只有幾條纜線出現(xiàn)較高的電流，以避免線纜的內(nèi)部電線出現(xiàn)高溫上升的狀況。此外，也必須根據(jù)接合力/分離力 (電容與電感負載) 以及電流傳導能力來選擇連接器。

對于電源需求高于 802.3af 標準的 PD 負載，可以使用雙對線或四對線解決方案，然而，這兩種解決方案無法使 PSE 預估 PD 尚需多少電量 (超出 802.3af 標準限制的部分)，也無法預估應(yīng)該使用一個連接埠或并用兩個連接埠，而且 PD 也無法得知 PSE 在標準狀況下能夠再提供多少電量。