以太网供电技术
摘要：以太网供电是一种革命性的供电技术，可以解决电源综合布线的问题。本文首先介绍了以太网供电系统的构成，然后介绍了以太网供电过程，并提出了一款用电设备（PD）电源适配器设计方案。新提出的方案，在无需大量更换现有设备的情况下，低成本地解决了低功率以太网设备的电源布线问题。
关键词: 以太网供电；用电设备；供电设备；
中图分类号: 文献标识码:
Power Over Ethernet
Abstract: Power over Ethernet technology(POE) is a revolutionary technology that can solve the problem of power supply cabling.Firstly this article talks about the structure of POE system ,secondly power surply of Power over Ethernet is described,and lastly introduces a new design of powered device (PD) power adapter.The new proposal, pays low cost on solving the power supply problems of power supply problems, without replacing a large number of existing equipment.
Key words: Power-over-Ethernet(POE); Powered Device(PD); Power Sourcing Equipment(PSE) ;
0 引言
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布线问题，一直是一个困扰其安装的难题。一般情况下，一个通信终端的额定功率为3~12W。这些设备所需求的电压不高，功率不大，完全可以通过以太网供电技术解决它们的供电问题。所谓以太网供电POE(power-over-Ethernet)，是指通过标准的以太网5类（CAT5）双绞线的中的其中两对双绞线同时对IP电话，无线AP，网络摄像机等设备进行供电。目前业界比较流行的是802.3af标准，该标准规定供电设备可以向用电设备提供12.95W的电源。对于IP电话，无线AP等低功耗设备，完全可以通过以太网对其供电，从而解决这些设备的电源系统布线问题。
1 以太网系统供电
1.1 以太网系统构成
按照IEEE802.3af的定义，以太网供电系统（POE）系统由供电设备(Power Sourcing Equipment)和用电设备（Powered Device）组成。其中供电设备（PSE）是用来给设备提供电源的设备，它又分为两种，它又可以分为两种，一种是端点设备（End point, 交换机中集成了POE功能）,另一种是中跨设备（Midspan, 只将数据和电源耦合到一起的中间设备）。用电设备（PD）是使用电源的设备，例如带了POE接口的IP电话或者无线AP。因此增加了PD电源适配器的供电方式应有两种，分别为是端点供电方式和中点供电方式，分别如下图所示：
POE交换机
用电设备………
用电设备
用电设备
POWER&DATA
POWER&DATA
POWER&DATA
图1 端点供电方式
端点供电方式适用于以太网供电交换机的升级，当普通交换机升级为以太网供电交换机时，可以采用在局端更换以太网用电终端，就可以实现对现有网络的升级。以太网供电交换机为用电终端提供电源，在每个端口同时传输数据和电源。
普通交换机
用电设备
………
用电设备
用电设备
DATA
DATA
DATA
POE集线器
…
DATA&POWER
DATA&POWER
DATA&POWER
图2 中点供电方式
中点供电方式适用于添加新的以太网供电集
线器，无需更换现有普通交换机，只需添加以太网供电集线器，将数据和电源耦合到一起，用电设备更换为带有以太网供电接口的用电设备就可以实现对现有设备的升级。
IEEE802.3af 标准规定以太网供电可以采用网线中的数据线1,2,3,6四根线供电，也可以采用备用线4,5,7,8供电。IEEE802.3af 标准不允许同时采用4对线缆同时供电。供电设备只能选择其中一种线缆供电方式，而用电设备必须同时支持这两种线缆供电方式。
用电设备
供电设备
123
46578
12346
5
78
数据线对
数据线对空闲线对
空闲线对
图3 通过数据线对或者备用线对供电
1.2 以太网供电过程
根据802.3af 标准，POE 供电必须经过一系列的检测和分级才能跟设备供电。当建立供电之后，必须监控用电设备的供电情况，必要时要断开供电。具体过程分为检测，分级，供电，断电。
检测：当用电设备接到POE 交换机或者POE 集线器上时，POE 交换机或者POE 集线器会首先确定用电设备是不是POE 用电设备，以防止不是POE 用电设备因为受到供电而受到损坏。供电设备会对用电设备施加两个小电流的小电压，检查用电设备是否有25K Ω的特征阻抗。如果用电设备没有25K Ω的特征阻抗的特征阻抗，供电设备不会对用电设备供电。否则，供电设备会对用电设备进行分级检测。
分级：当用电设备确定供电设备是以太网供电设备后，供电设备会对用电设备进行分级检测，以便知道每个设备需要的功率，从而有效的合理的分配电源功率。供电设备在本阶段会将电压升到14.5V~20.5V ，然后根据用电设备产生的电流值确定用电设备的功率等级。
供电：当用电设备完成对供电设备的检测分级
之后，供电设备将提供一个44V 至57V 的电压，电流会被限制在350MA 以下，如果出现了过压或者过流的情况，需要有相应的手段关断或者移除用电设备。同时供电设备对用电设备进行不间断的检测，以确定用电设备仍保持连接状态。802.3af 标准规定用电设备可以采用DC 断接和AC 断接两种方法来判断是否与用电设备相连。
断电：当检测到用电设备断开之后，供电设备会逐步降低电压至0V DC 。当过了一段时间之后，供电设备将会重新开启用电设备检测过程。
2用电设备电源适配器的设计与实现
下面介绍一种12V POE 电源适配器的设计方案。主要由以下几部分组成：用电设备接口控制电路，以太网供电电源数据分离电路以及DC-DC 电压转换电路构成。
2.1 以太网供电电源数据分离电路：
图4以太网供电电源数据分离电路 PD 电源适配器产生的噪声会干扰数据信号以及以太网电缆连接的其它设备。图中选用PULSE 的H2019网络变压器用于PD 电源适配器的网络滤波与电源隔离。当PSE 选用数据线传输电流时，网络变压器把PSE 送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样网线与PD 电源适配器没有物理上的连接，网络变压器提供2KV~3KV 的耐压，起到了防雷保护作用，防止了外部雷击对于PD 电源适配器的损坏，还将PSE 提供的电源从网线中分离出来。上图中的Bob Smith 电路主要提供网口任意两队差分信号间150Ω的阻抗匹配，并对共模信号提供一个回流路径。
2.2 用电设备接口控制电路：
图5 用电设备接口控制电路
IEEE802.3af允许供电设备不仅可以使用网线中的两对数据线传输电源，还能通过RJ45连接器中的备用线来给用电设备供电。用电设备必须在主输入端和备输入端上接受任一极性的电源，使用桥式整流器，用于对用电设备电流的整流，用于适用不同的电源配置。整流桥后端的SMAJ58A TVS二极管用于防止电源正负级的变化对电路的冲击。68nf 电容和25.5K电阻是用电设备的特征阻抗，用于供电设备检测用电设备是不是以太网用电设备，以防止对非以太网供电设备的损坏。
该接口电路采用了MAX5940芯片，它为PD提供完整的POE接口功能，使其符合IEEE802.3af以太网供电系统标准。该芯片集成了宽滞回的供电模式UVLO，并具有持久的抗尖峰脉冲功能，用于补偿双绞线线缆的阻抗衰落，保证在检测分级以及在电源开关中不受瞬间脉冲的干扰。MAX5940的前端部分可以工作在三种工作不同模式：PD检测特征信号、PD分级和PD供电。
在检测模式下，供电设备在Vin上施加一个电压，电压范围为：1.4V至10.1V，然后记录两个点的电流测量值。供电设备（PSE）随后测量出ΔV/ΔI，以确保存在25.5KΩ的标记电阻。该模式下，MAX5940内部大部分电路处于关闭状态，而且偏移电流小于10μA，保证不供电时的低功耗。
在分级模式下，供电设备根据用电设备所需的消耗功率对PD进行分级。这样可以使PSE有效管理功率分配。IEEE802.3af标准定义了表1中所示的5种不同分级。MAX5940分级电阻完全与IEEE802.3af标准规定的一直。分级电流由连接在RCLASS和VEE之间的分级电阻决定，分级电流的大小完全达到IEEE802.3af标准的规定。
分
级
分级
电阻
(Ω)
用电设备最大
功率（W）
分级电流（MA）
0 10k 0.44 to 12.95 0 to 2
1 73
2 0.44 to 3.84
9.17 to 11.83
2 392 3.84 to 6.49 17.29 to 17.91
3 255 6.49 to 12.95 26.45 to 29.55
4 178 保留36.6to 41.4
表1 MAX5940分级电阻，分级电流以及功率
PSE通过在PD输入端施加一个电压，并检测PSE提供的电流来确定PD的级别。当PSE施加一个介于12.6V至20V的之间的电压时，MAX5940会显示上表中的电流特征值，PSE根据分级电流区分PD所需要的功率。由于分级电流包含了25.5K标记检测电阻所消耗的电流和MAX5940的电源电流，PD所吸收的总电流在IEEE802.3af要求标准之内。只要芯片进入供电模式，分级电流将被断开。
在供电模式下，当Vin上升到欠压模式锁定门限以上时，MAX5940逐步开启内部N沟道MOSFET。MAX5940用一个恒流源对该MOSEFT栅极进行充电。MOSEFT管的漏-栅电容限制了MOSFEF管漏极电压的上升速率，因而限制了浪涌电流。
2.3 DC-DC电压转换电路：
图6 DC-DC电压转换电路
为了最终向用电设备供电，POE提供的48V DC 必须逐步降为用电设备所需要的电压水平，并且要保证电话所需要的功率，本文以12V VOIP电话为例，选用了TI公司的LM2576HV-12芯片用于48V
向12V电压的转换。该芯片的外围电路简单，转换效率高达88%，满足小型，高效，可靠的要求。该电路同时添加了1.5A的可恢复型保险管，当电流过大时，电路将会切断，以保护电子设备不会被烧坏。
3 结语
以太网供电技术是一种革命性的供电技术，它创造性的解决了以太网设备的电源供电布线问题。以太网供电技术仅需要一根网线，便可以解决电源和数据的传输。本地停电又不影响设备的使用。随着802.3af标准的实施，PoE技术必将得到更多的应用。
本文介绍了以太网供电技术的系统构架以及以太网供电过程，并提出了一款可以用于解决12V 低功率以太网设备的电源适配器的设计方案。经过实测，该方案在产品更新换代过程中可以解决大多数低功率以太网产品的供电问题。
4 参考文献
[1] IEEE Std802.3af22003 ,18 June 2003.
[2] David Morrison.PoE Chips Reach For Hign Power and New Features[J].Power Electronics Technology,2007,3:48-49.
[3] 李德军.以太网供电技术及应用[J].大众科技,2005(2):31-32.
[1 ] 胡志华,郭其一.基于 IEEE802. 3af的以太网供电技术(PoE)[J].仪表技术,2007,4
(4):54-56.
[5]丁丁,黄成军,沈昊.以太网供电技术研究[J].自动化仪表,2005,26(1);5-8.