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以太网供电技术简介

2014-11-21来源: ofweek关键字:以太网  供电技术  POE技术
0 概 述

    以太网供电POE(Power Over Ethernet)是一种允许在以太网线双绞线上同时传输数据和电能的技术,该技术作为IEEE标准802.3af在2003年6月得到了批准。IEEE技术使得以太网双绞线在传输数据包的同时可以向远端(100 m)的网络设备提供大约13 W的功率.这就意味着像I工,电话、无线接入点、IP,网络照相机这样的网络设备可以不再需要本地的交流电源就能获得电能而正常工作;同时使得这些设备的安装和维护比较方便和灵活;并且由于无需考虑设备的供电问题.因此有效地降低了网络基础建设的成本,由此可见POE技术的优越性是很明显的。

1 工作原理

    通过以太网线双绞线完成对网络设备的供电,需要两个设备,一个是提供电源的设备称为供电设备PSE(Power Supply Equipment),PSE在每个供电端口(RJ-45端口)上提供最大电流约350 mA的48 V直流电源,直接驱动以太网双绞线,扣除以太网双绞线(最长100 m)上的功率损耗,供电设备可以向终端的网络设备提供约13 W的功率;而从以太网双绞线上获取电能的设备被称为受电设备PD(Powered Device)。以太网供电系统要能与传统的网络系统兼容,要求必须符合802.3af标准。标准规定在一定的时间内,供电设备PSE必须完成对终端网络设备的检测和分级,然后决定是否对其供电以及输出多少功率。这一规定可以保障不兼容POE的网络设备不至于受到48 V电源的破坏。所以供电设备的卞要功能是检测是否有兼容POE的设各(PD)连按入POE系统或从POE系统中断开,井对受电设各进行分级,以提供相应功率的电源或切断电源。根据应用类刑的不同,802.3af标准允许供电设各有两种方法实现对PD供电:

    一种是端点PSE(Endpoint PSE),即在同一个设各内嵌入了以太网交换机等数据交换模块和电源模块。在这种供电模式中,可以选择以太网双绞线中的信号线对(1,2和3,6)或者“空闲线对”(4,5和7,8)来承载48 V直流电源。当选择信号线对传输电源时,48 V DC通过加在隔离变压器的两个中心抽头上来实现对受电设各的供电(图1),从而避免了对数据信号的影响。由于电源可以叠加在信号线对上,所以这种方式的POE系统可以支持千兆以太网。将端点PSE应用于网络系统时,由于需要更换现有的网络设各,所以端点PSE较适合于建设新的网络系统。


图1 端点PSE使用信号线对或空闲线对传送电源


    另一种是中跨PSE(Midspan PSE),即供电设备和传统的交换设备是分离的。在这种供电模式中,PSE安装在传统的交换设备和终端设备之间,通过以太网双绞线中的“空闲线对”注入电源(图2)。将中跨PSE应用于网络系统时,由于无需对现有的网络设备和结构进行大的改动,所以中跨PSE较适合于对现有的以太网系统进行升级改造。


图2 中跨PSE使用空闲线对传送电源

    以太网供电系统要能正确而安全的工作,要求供电设各和受电设各的设计必须遵循IEEE 802.3af以太网供电规范中所定义的几个条件。下面介绍以太网供电系统在工作时的四个主要过程:

    (1)检测

    供电设各首先要检测连按在线缆上的终端网络设各是否符合802.3af标准的PD,一个符合规范的PD必须在一定的时限内提供特有的检测特征。PSE的检测过程如下:在建立以太网供电连按时,PSE首先向线缆上送出2.8 V至10.1 V的限流电压,同时启动检测算法。此时,如果终端用电设各通过以太网线缆旱现出如表1的特征值,则该用电设各被称为有效的PD;这将导致线缆中的电流发生特定的变化,即相当于向PSE提出供电请求。而传统网络设各在RJ45端口上的特征阻抗通常较小,约为150 Ω,称为无效的PD。其特征值如表2所示,PSE将不会向这些网络设各输出48 V直流电源,以保障传统网络设各不会受到破坏。此外,从表1和表2可以看出,供电设各PSE可以按受一个宽范围的特征阻抗(19 kΩ~26.5 kΩ),以减少网络系统中存在的寄生电阻的影响。至此,PSE完成了对终端用电设各的检测,即区分出了哪些网络设各是符合标准的受电设各。 [page]


表1 有效PD的特征


表2 无效PD的特征


    (2)分级

    由于受电设备的种类很多,需要的电源功率各不相同,所以在供电设备正确检测到受电设备以后,接着向线缆上施加一个15 V至20 V的探查电压,以决定输出多大的功率给连接在线缆上的受电设备,这个过程称为PD功率分级。在这个过程中,符合规范的受电设备会将一个分级电阻串联到线缆中。同时,受电设备表现得近似为一个恒流源,用来指示本用电设备将要吸取的最大功率。供电设备通过测量以太网双绞线中的电流大小来确定受电设备属于哪个功率分级,然后输出相应的功率。802.3af标准规定了。0~4共5个功率级别,如表3所示。


表3 PD功率分级及其分级特征


    (3)供电

    PSE在成功检测到PD和完成对PD的分级以后,接着将施加在双绞线对上的电压迅速升高到48 V,开始向受电设各正常供电,同时受电设各中的检测电路(检测电阻和分级电阻)立即被切断,使得检测电路不会继续消耗电源的功率。

    (4)断开检测

    供电设各给受电设各供电以后,如果供电设备不能在受电设各己经从系统中断开后迅速切断电源,则这一带电的RJ45端口可能接通一个传统的网络设备,使其受到破坏性的影响。所以供电设各必须能够检测PD的”维持功率”特征来判断受电设各是否己经从系统中断开,从而决定是否断开对受电设各的供电。802.3af标准定义了两种检测受电设各断开的方式,即DC断接和AC断接,DC断接是通过测量从一个RJ45端口吸收的最小电流,以确定受电设各是否己经从线缆中断开;AC断接是通过测量受电设各的阻抗来进行断开检测,这种方式被认为是一种更加准确的受电设各断接检测法。

2 实例

    很明显POE系统中供电设各和受电设各两种设各的设计必须符合以太网供电规范,以免对传统的网络设各产生破坏性的影响。凌特公司推出了一套满足以太网供电标准的电源管理芯片(LTC4259和LTC4267),从而大大简化了符合POE规范的网络设各的设计。LTC4259是一款为端点和中跨PSE而设计的四路PSE控制器,它集成了PD特征检测、PD功率电平分级、AC和DC断开检测以及电流限制等保护功能,且可以无需采用微控制器。这颗芯片可以自主选择工作在自动、半自动和手动模式。自动模式允许器件在无需软件干预的情况下而正常工作;半自动模式连续检测并分级连接到端口上的网络设各,但在接到供电指令前不会给端口供电;手动模式允许软件完全控制器件,所以通常用于对系统进行诊断。LTC4267为受电设备的设计提供了一个完整的解决方案,它集成了用于供电设备进行检测、分级的特征值,并且具备完再的保护功能,从而简化了受电设备PD的设计。

3 以太网供电技术的发展

    802.3af标准规定,在每个RJ45端口上,供电设备可以通过以太网双绞线向用电设备提供的最大功率约为13 W。如果超过这一功率,便可能会干扰以太网双绞线中数据信号的传输,所以有限的可用功率阻碍着POE技术进一步的发展。在市场的推动下,IEEE于2004年9月成立了一个研究小组(POE Plus)来讨沦如何增加供电设备PSE输出的最大功率(高功率的PSE),以满足受电设备不断增加的功率需求。由POE Plus研究组建立的新标准可能允许供电设备PSE输出30~40 W的功率,同时保证POE系统的安全性和可靠性。也就是说,在不久的将来,高功率POE技术可以支持高功率的受电设备(HPD)直接通过以太网双绞线获得电源,比如笔记本计算机等。

    POE技术允许受电设备PD通过以太网线同时接收电能和收发数据,所以当设计新的数据网络系统或升级一个现有的网络系统时,采用POE构架可以有效地减少投资成本,同时可以使网络的运行更加稳定可靠,安装和维护更加便捷。POE技术正以其特有的优势迅速被越来越多的人们所接受。目前,尽管支持POE技术的前端供电设备和终端受电设备还不多见,但是由于POE系统的低成本、高可靠性和易用性等特点,我们相信,在未来一段时间,POE技术必将很快被设备制造商和用户所接受。

关键字:以太网  供电技术  POE技术

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qrs/2014/1121/article_19517.html
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