【电源】POE系统供电原理（一）

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【电源】POE系统供电原理（一）

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1、技术背景

​ 随着中小功率便携设备高集成度、远距离供电需求，POE的应用随之越来越广泛。通过这种方式，可以为工业现场的 IP摄像头、无线 AP、数据采集终端等设备进行远程集中供电。对于这些需要供电的设备而言不再需要考虑其电源系统布线的问题，在连上以太网线的同时就可以实现对设备的供电。

​ POE供电系统主要有以下几个优势：

​ 1.布局简单、成本低

​ 2.多设备远程管理

​ 3.安全、可靠

图1 常见的 PoE 供电设备

2、POE标准简介

图2 PoE Standards Introduction

1. IEEE 802.3af (Standard PoE)

   工作电压范围为44-57V，电流范围为10-350mA，每个端口最大输出功率为15.4W。由于以太网电缆的功率损耗，PD的最低保证功率是每个端口12.95W。

2. IEEE 802.3at (PoE+)

   电源电压为50V ~ 57V，电流为10 ~ 600ma。PoE+可提供每个PSE端口高达30W的功率，保证每个端口最小输出功率25W。

3. IEEE 802.3bt

   IEEE 802.3bt是最新的PoE标准，定义了Type 3和Type 4两种功率标准。通过两对或多对以太网电缆提供更多的功率，可以提高PoE的最大功率。在类型3和类型4模式中，PSE将识别PD设备并根据PD设备的最大功率需求分配功率，从而增强功率传输系统。

   a）Type 3 (PoE++)

   类型3，也被称为PoE++，可以提供高达60W每个PoE端口(确保每个PD端口至少51W)。

   b）Type 4 (Higher-Power PoE)

   类型4，每个PoE接口最大输出功率100W(每个PD端口至少有71W)。

3、接口连接方式

网线接口内部的线缆结构如图 2 所示

图3 网线接口内部的线缆结构

​ 网线由 4 对双绞线组成：线对 1、2 和线对 3、6 用于传输数据信号，而线对 4、5 和线对 7、8 均空闲线对。常见的接线方式有两种标准：Mode A和Mode B。

1. Alternative A (Mid-Span): 利用信号线 (1,2,3,6) 同时传递数据信号和 48V 电源；
2. Alternative B (End-Span): 利用空闲线 (4,5,7,8) 传递 48V 电源。

图4 10BASE-T/100BASE-TX Endpoint PSE location overview

​ PSE设备可以通过两个有效的四线连接中的一个提供电力。在每个四线连接。与一对相连接的两个导体在大小和极性上都携带相同的标称电流。定义如图4所示：

图5 PSE Pinout alternatives

4、握手过程

• 插入检测机制

  PSE 向 PD 正式供电之前，首先是检测阶段，以避免将 48V 电源加给非标 PD 设备，对其造成危害。PSE 会用 2.8V~10V 的探测电压检测电源输出线对之间的直流阻抗与阻容，以判断对端是否是标准的 PD 设备。IEEE802.3 标准定义 PD 存在的特征： a.直流阻抗在19K～26.5Kohm 之间；b.容值不超过 150nF；如果检测到的特征阻容不符合以上标准定义的值，即认为对端设备为非标 PD，不进行供电。如果检测到的特征阻容符合以上标准定义的值，将进入第二阶段分级阶段。

  直流阻抗检测原理：PSE设备提供2V-10V之间的电压，输出两个不同电压值，电压间隔在1V以上，然后再通过侦测到两个不同的电压和电流来计算∆V/∆I，从而实现PD设备的插入检测。
  $$R=(V2-V1)/(I2-I1)$$

• 功率等级分级

  一旦检测到对端是标准PD设备，PSE需要判断该PD设备的用电量，便于系统对电源进行管理。PSE 利用一个15.5V~20.5V的探测电压来检测PD设备的功率级别。

  PD通过从线上吸收一个恒定电流（分级特征信号）向PSE表明自己所需的最大功率。PSE测量这个电流，以确定PD属于哪个功率级别。分级期间使用的PSE电流必须限制到100mA，以避免损坏PD，而且它的连接时间不能超过75ms，以对PD功耗加以控制。

  由于PD种类很多，需要的电源功率也各不相同，PSE会检测协商对端PD设备的功率等级；即PD接收到的功率不会超过PSE提供的功率，从而防止PD过载将拉PSE电压拉低。

图6 功率等级划分

​ 按照 802.3af 标准定义，PSE最大功率和最大有效功率按如下方法计算：

​ 最大功率：44V*0.35A＝15.4W（每端口最大输出功率）。

​ 最大有效功率：15.4W－0.35A0.35A20Ω＝12.95W（除去网线上的功率损耗，每端口下的 PD 设备能够有效利用的功率）。

图7 功率分级电流

• 供电阶段

  成功检测和分级后，PSE才会向PD正式供电。供电期间，PSE还要对每个端口的供电情况进行监视，提供欠压和过流保护。

• 断开阶段

  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。东土公司 PoE交换机（PSE 设备）采用DC断路检测法。

  1、DC断路检测法：根据馈电设备流向受电设备的直流电流的大小，来判断受电设备是否依然连接在馈电设备上。当电流在给定300ms-400ms内保持低于阈值5mA-10mA时，馈电设备就认为受电设备不存在，从而断开电源。这种方法的缺点是，当PD工作在低功耗模式时，为避免掉线PD必须周期性地吸取一定的电流。

  2、AC断路检测法：利用端口的低频AC阻抗测量来检测PD的存在。AC断路法必须检测PD的阻抗<26.5KΩ，为PD提供一个稳定的输出电压来供电。当没有设备连接到PSE时，端口应该是高阻抗，可能达到几兆欧。

图8 电压建立过程

参考资料

• IEEE Std 802.3at-2009
• IP804 datasheet
• https://www.monolithicpower.cn/power-over-ethernet-poe-power-supply-process-across-ieee-802-3af-at-bt-protocol