POE技术原理及硬件实现

一、概述：

定义：PoE全称Power Over Ethernet，是指10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T以太网网络供电，即数据线和电源线在同一根网线上传输，其可靠供电的距离最长为100米。

通过这种方式，可以有效的解决IP电话、无线AP、便携设备充电器、刷卡机、摄像头、数据采集等终端的集中式电源供电，对于这些终端而言不再需要考虑其室内电源系统布线的问题，在接入网络的同时就可以实现对设备的供电，极大的简化了综合布线的复杂性，降低了系统使用的成本。

在通用性方面，目前PoE供电有了统一的标准，只要遵循已经发布的IEEE802.3af和IEEE802.3at标准，就可以解决不同厂家设备之间的互连互通的问题。

二、POE供电的技术优势

使用以太网线供电的优势是明显的：

POE 只需要安装和支持一条电缆，简单而且节省空间，并且设备可随意移动。
节约成本。许多带电设备，例如视频监视摄像机等，都需要安装在难以部署AC电源的地方，POE 使其不再需要昂贵电源和安装电源所耗费的时间，节省了费用和时间。
像数据传输一样，POE 可以通过使用简单网管协议(SNMP)来监督和控制该设备。
POE 供电端设备只会为需要供电的设备供电，只有连接了需要供电的设备，以太网电缆才会有电压存在，因而消除了线路上漏电的风险。
一个单一的UPS 就可以提供相关所有设备在断电时的供电。
用户可以自动、安全地在网络上混用原有设备和POE设备，这些设备能够与现有以太网电缆共存。
使网络设备便于管理。因为当远端设备与网络相连后，才能够远程控制、重配或重设。
在无线局域网中，POE 可以简化射频测试任务，接入点能够被轻松地移动和接入。

三、POE组件架构

一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE, Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD, Power Device)两部分。
PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。
而PD设备是接受供电的PSE负载，即POE系统的客户端设备，如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑( PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备（实际上，任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。
两者基于IEEE 802.3af/IEEE 802.3at标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系，并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。
典型的设备应用组网图如下。

四、POE供电

供电方式

POE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两种方法：
一种称作“中间跨接法”( Mid -Span )，使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电，相应的Endpoint PSE支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。

网线45、78线对供电，即：空闲线供电。

另一种方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电，其输电采用与以太网数据信号不同的频率。
Midspan PSE是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。
它对应每个端口有两个RJ45插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。
可以预见，End-Span会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。

网线12、36线对供电，即：信号线供电；

由于DC电流和数据频率互不干扰，所以可以在同一对线同时传输电流和数据，其实，对电缆来说可以看作一种“复用”。
PoE提供的电压在57V以下，属于“安全电压”，满足安规要求。

供电功率

IEEE802.3at标准供电系统的主要供电特性参数为：
直流电压在50～57V之间，典型值为50V。
典型工作电流为10～600mA，典型的输出功率：30W。
受电设备PD支持Class4的分级。

IEEE 802.3at 委员会暂时将PSE 输出电压定在50 到57V。该委员会还规定来回总长为100 米的线缆，其最大阻抗不能超过12.5Ω。”在该电压、电阻条件下，功率等于：
PSE 功率的最小值＝0.72A×50V＝36W
PD 功率的最小值＝0.72A×41V＝29.5W
电缆损耗最大值＝I2R＝0.72×0.72×12.5＝6.5W

关于功率五个等级的详细说明：
IEEE 802.3af PoE标准允许设计师通过以太网电缆为用电设备（PD）提供高达12.95W的电力，同时符合安全特低电压(SELV)要求。
根据 IEEE 802.3af标准，PD可按所需功率分为四个不同的级别（第五个等级Class 4是为更高的功率的新标准预留的）。

Class 0设备需要的最高工作功率为0~12.95W
Class 1设备需要的工作功率介于0~3.84W；
Class 2设备需要的工作功率介于3.85W和6.49W之间；
Class 3设备的功率范围则介于6.5～12.95W之间。
设计师可以根据功率要求将他们的设备指定为特定的级别。低成本解决方案可以使用一般的默认级别指定(Class 0)，表示PD最高需要12.95W的工作功率。

但更新的PoE技术可实现更高的功率。例如， PoE++（四对以太网供电系统）通过使用现有电缆的所有电线允许70 W到100 W的功率。与此PoE标准并行的是ADI公司定义的专有标准LTPoE++™，该标准定义高达90 W的受电设备(PD)功率规范（请参见表1）。

LTPoE++降低了PoE系统与类似解决方案相关的技术复杂性。即插即用功能、易于实现和安全可靠的电源是LTPoE++的其他特性。
此外， LTPoE++还可与IEEE的标准PoE规范互操作和向后兼容。但是，由于系统损耗和电缆损耗，实际可用功率略低于指定的PD
功率， PoE+和PoE++也是如此。

供电的工作过程

在上述过程中，主要对以下几个过程进行描述：
Step1：Detection，PSE检测PD是否存在。
（1）该步骤主要的操作是，PSE通过检测电源输出线对之间的阻容值来判断PD是否存在；
（2） Detection阶段输出电压为2.8V~10V,电压极性与－48V输出一致。只有检测到PD，PSE才会进行下一步的操作。
（3） PD存在的特征：
直流阻抗在19K～26.5Kohm之间；
容值不超过150nF；

Step2：Classification，PSE确定PD功耗。
（1）该步骤主要的操作是，PSE通过检测电源输出电流来确定PD功率等级。
（2） Classification阶段端口输出电压大小为15.5V~20.5V。电压极性与－48V输出一致。

Step3：Power-up，PSE给PD供电。
该步骤主要的操作是，当检测到端口下挂设备属于合法的PD设备时，并且PSE完成对此PD的分类（可选），PSE开始对该设备进行供电，输出－48V的电压。

Step4：RTP & Power management，实时监控、电源管理

Step5：Disconnection，PSE检测PD是否断开。
该步骤主要的操作是，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。端口状态返回到Detection。

在把任何网络设备连接到PSE时，PSE必须先检测设备是不是PD，以保证不给不符合POE标准的以太网设备提供电流，因为这可能会造成损坏。这种检查是通过给电缆提供一个电流受限的小电压来检查远端是否具有符合要求的特性电阻来实现的。
只有检测到该电阻时才会提供全部的48V电压，但是电流仍然受限，以免终端设备处在错误的状态。作为发现过程的一个扩展，PD还可以对要求PSE的供电方式进行分类，有助于使PSE以高效的方式提供电源。
一旦PSE开始提供电源，它会连续监测PD电流输入，当PD电流消耗下降到最低值以下，如在拔下设备时或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等，PSE会断开电源并再次启动检测过程。
电源提供设备也可以被提供一种系统管理的能力，例如应用简单网络管理协议(SNMP)。这个功能可以提供诸如夜晚关机、远端重启之类的功能。
研究POE的供电方式可以看出，在供电的过程中有两个关键的问题需要考虑，一个是对于PD设备的识别，另一个是系统中UPS的容量。

五、POE供电网线要求

POE IEEE 802.3af标准要求PSE输出端口的输出功率为15.4W或者15.5W, 传输100米后的PD设备接受功率必须不小于12.95W，按照802.3af典型电流值为350ma计算，100米网线的电阻必须为(15.4-12.95W)/350ma = 7欧姆或者(15.5-12.95)/350ma = 7.29欧姆。
而标准网线是天然就满足这个要求的，IEEE 802.3af poe供电标准本身就是以标准网线测定的。而只所以会产生POE供电网线要求这个问题，是因为市面上的很多网线都是非标准网线，不是严格按照标准网线的要求来生产的。市面的非标准网线材质主要有铜包钢、铜包铝、铜包铁等，这些网线的阻值大，都不适合POE供电。
POE供电必须使用无氧铜材质的网线，即标准网线。
以下为某品牌网线的参数(请看直流电阻这个参数)：

◇ 传输性能超过TIA/EIA-568B超五类标准　　
◇ 阻抗：100ohms±15﹪，IMHzto 200MHz
◇ 传输延迟：538ns/100m max.@100MHz
◇ 延迟偏移：25ns max
◇ 弯曲半径：1英寸（4倍电缆直径）　　
◇ 导体电阻：9.38 ohms max/km
◇ 电容：5.6NF max/100m
◇ 直流电阻：≤7.16Ω 　　
◇ 耐压：300 volts AC or DC
◇ 额定速率：70 nom％　　
◇ UL/NEC等级：CMR
◇ 认证：获UL listed file no.E138034 ETL verified TAI/EIA-568-B categorg5e
◇ 工作环境温度：—20℃到60℃范围　　
◇ 储运环境温度：—20℃至80℃之间

六、POE硬件实现参考方案