以太网供电解析

2009年07月19日 13:07    李宽
关键词: 以太网供电
以太网供电PoE(Power over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构上,在为一些基于IP的终端传输数据信号的同时,还能为此类设备提供直流电源的技术。PoE技术已在企业与工业中得到广泛的应用,据统计,2006年,PoE供电交付量为3200万个端口,到2011年,交付量将达到1.45亿个端口,年增长量将超过30%。目前,业界采用的标准为IEEE802.3af,该标准规定了供电设备可通过以太网向功率在13W以下的受电设备供电。这对于传统的IP电话和网络摄像头而言可以满足需求,但随着双波段接入,视频电话、PTZ视频监控等高功率应用的出现,13W的供电功率显然无法满足要求。为此,IEEE在2005年开始制订新的标准802.3at(PoE plus),以提升PoE可传送的功率。表1为802.3af与802.3at的参数对照。

  PoE系统构成
  按照IEEE的定义,PoE系统包含两种设备—PSE和PD。顾名思义,PSE(Power Sourcing Equipment)是用来给其它设备进行供电的设备,它又可以分为两种,即端点设备(End point,PoE功能集成在交换机内)和中跨设备(Midspan,一种没有交换机功能的中间设备)。PD(Powered Device)是用电设备,会消耗PSE的电能。
  同时802.3af标准还定义了PI(Power InterfaceSE/PD与网线的接口),目前已定义了Alternative A(1、2、3、6信号线)和Alternative B(4、5、7、8空闲线)两种供电模式。

  ● 通过数据对供电(模式A),如图1所示。由于信号是差分形式的,输入、输出端用变压器耦合,其中心抽头处电压是平衡的,这样为直接供电提供了条件。对电缆来说可以看作是一种“复用”,可以把1、2键接成正(或负)极,把3、6链接成负(或正)极。
  ● 通过空闲对供电(模式B),如图2所示,4、5链接成正极,7、8链接成负极。

  PoE工作过程
  按照标准,PoE工作时严格按检测、分级、通电、断电顺序进行,见图3,以解决设备是否需要通过以太网供电,按哪级供电的问题。
  ● 检测:在检测阶段,PSE通过有限的电流与电压来确定是否存在一个25kW特征电阻。一个有效的PD必须在供电端呈现一个阻值在23.75kW与26.25kW间的电阻,对应电压范围在2.7V与10.1V之间,并联电容在0.05mF与0.12mF之间。对于电阻小于15kW或大于33kW以及电容大于10mF的设备,PSE拒绝向它供电,以免损坏该设备。通常检测过程在500ms内完成,若未检测到PD,至少在2s后再重复检测过程。
  ● 分级:分级是可选的,向PD施加一个15.5V~20.5V间电压来测量它的电流。PD最大可使用功率按表2确定。

  ● 通电:当检测到下挂设备为合法的PD时,并且PSE完成对比PD的分级(可选),PSE开始对该设备进行供电,输出一个44V~57V之间电压。在供电期间,若电流超过400mA,应在75ms内移除功率。若电流超过800mA或输出电压降至30V以下,为了短路保护,应立即移除输出功率。在此场合,至少应在2s后再进行检测。
  ● 断电:PSE会通过特定的检测方法来判断PD是否已经断开,如果PD断开,PSE将关闭端口输出电压,端口返回到检测状态,很多设备还具有判断是真切断还是假断开的能力。
  IEEE802.3af标准规定了两种方法让PSE检测PD是否断开:即DC断路检测法和AC断路检测法。前者根据PSE流向PD的直流电流大小,判断PD是否在线。当电流在给定时间TDIS(300ms~400ms)内保持低于阈值IMIN(5mA~10mA)时,PSE就认为PD不存在,从而切断电源;后者测量端口的交流阻抗,接有PD时,端口阻抗会小于26.2kΩ,端口阻抗是通过加一交流电压和测量得到的电流来决定的。
  PoE高集成度解决方案
  鉴于PoE技术的潜在应用市场,目前已有多家半导体厂商提供了符合IEEE802.3af标准的PSE控制器。这些器件在简化电路、降低系统成本、提供更高可靠性的同时,也加速了此项技术的广泛普及。
  博通(Broadcom)公司推出的BCM59101/103是市场上集成度最高的芯片之一,它集成了FETs、检测电阻器、3.3V开关调节器、微控制器、LED控制以及存储器。功率消耗对于电源解决方案至关重要。公司通过两部分设计减少了功率消耗。首先,3.3V开关调节器比其它方案更为有效;其次,内置检测电阻的功率消耗要远小于外置电阻。Linear公司的LTC4258/59可以对四路供电端口进行管理,具有自主运行(无需处理器干扰)模式,即可按顺序处理各项任务的能力,对每路都可以单独设置其工作模式(自动、半自动、手动、关闭)。其它产品还有Maxim的MAX5922和 MAX5935、TI的TPS 2383、Silicon Labs的Si3460、Freescale的MC234670、华为公司的S3900/S5600与S3026C-PWM等。

  PD接口控制器有TI的TPS2370/71/75、Linear的LTC4257/4257-1、Maxim的MAX 5940A/B、MAX5941A/B、Supertex的HV110K4、Power Integrations的DPA423G以及NS公司的LM5073等。
  PD接口控制器除有检测接口和分级接口外,通常还具有欠压关闭、过压保护、过冲电流限制、DC电流限制等功能。Maxim和Power Integrations还将用于DC/DC转换的PWM控制器也集成在芯片中,利用它可以实现非常紧凑且高性价比的PD供电电路。
  结语
  使用以太网供电的优势是明显的:
  ● PoE只需安装和支持一条电缆,简单易行且节省空间,并且设备可随意移动。
  ● 一个单一的UPS就可以为所有设备供电。
  ● 像数据传输一样,PoE可通过使用简单网管协议(SNMP)来监督和控制设备。
  ● 用户可以自动、安全地在网络上混合使用原有设备和PoE设备。
  当然,PoE还面临一些挑战,如每个端口的用电设备需要的功率可能各不相同,如何准确地检测每个用电设备的功率需求是个很重要问题,否则会存在某些不安全因素。此外,电缆通常被匝成电 束并置于配线柜中,因此电束的散热问题亦需要注意。而成本问题则是面临的又一挑战,特别是对PD制造商而言,在产品中加入PoE技术就要增加成本。虽然面临诸多挑战,但由于市场潜力巨大,存在的问题还不断地被厂商们加以解决。想信随着IEEE2.3at的实施,PoE技术将得到进一步发展以及广泛的应用。
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