實(shí)現數據與直流電源在以太網(wǎng)上共線(xiàn)傳遞

以太網(wǎng)供電（PoE，Power Over Ethernet）是一種剛被批準為IEEE 802.3af標準的供電技術(shù)。它利用了普遍存在的通用以太網(wǎng)絡(luò )，在傳送數據包的同時(shí)完成直流電源的輸送工作。最近批準的這個(gè)IEEE標準似乎將成為第一個(gè)通用電源插口或插座定義在全球范圍使用的實(shí)例。它意味著(zhù)，對諸如IP 電話(huà)、無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò )監控攝像頭等需要持續供電的各種連網(wǎng)設備來(lái)說(shuō)，不必再連接自己的交流電源。它還意味著(zhù)這些設備無(wú)需放在交流電源插座附近，所以可以省掉電源電纜。
　　在PoE系統中，通過(guò)現有以太網(wǎng)接受電源的客戶(hù)端設備叫做受電設備(PD)，為PD提供電源的設備叫供電設備(PSE)。PD的功耗限制在12.95W，PSE 輸出限制為每個(gè)RJ-45 端口15.4W。在以太網(wǎng)連接電纜和物理層設備(PHY)變壓器保持良好平衡的情況下，每個(gè)PD最多可以獲取350mA的連續電流。
　　考慮到沿CAT-5以太網(wǎng)傳輸線(xiàn)（可達100米長(cháng)）的電壓降，IEEE標準為PD和PSE規定了不同的功率額定值。在較長(cháng)的鏈路上電壓降會(huì )更明顯，因此 PSE 的輸出電壓要高于標稱(chēng)的 48VDC，以使 PD 獲得最大功率。因此，在以太網(wǎng)鏈路上到處都可以見(jiàn)到高達57VDC 的電壓。
　　大多數PoE 網(wǎng)絡(luò )可以采用端點(diǎn)(endpoint)或中跨式(midspan)PSE 實(shí)現。端點(diǎn)PSE在單個(gè)設備里集成了以太網(wǎng)交換機和電源，它被放置在以太網(wǎng)鏈路的另一端。因為在以太網(wǎng)鏈路的端點(diǎn)已存在電源，這種類(lèi)型的PSE提供了實(shí)現PoE網(wǎng)絡(luò )的最簡(jiǎn)便的方法。這種以太網(wǎng)交換機有時(shí)也稱(chēng)為已具備“線(xiàn)上電源”(inline power)。如圖 1所示，端點(diǎn)PSE很適合用來(lái)部署新的基礎網(wǎng)絡(luò )。

圖 1，對端點(diǎn)PSE和PD設備來(lái)說(shuō)，電源是通過(guò)信號線(xiàn)對分配的。這種類(lèi)型的PSE提供了實(shí)現一個(gè)PoE網(wǎng)絡(luò )最簡(jiǎn)便的方法，因為電源已經(jīng)通到了以太網(wǎng)連接的端點(diǎn)上。

　　對于那些不能用這種方式升級的現有以太網(wǎng)，可以采用中跨式PSE，將電源插入到以太網(wǎng)里。中跨式PSE可以通過(guò)CAT-5電纜中的“空閑線(xiàn)對”提供電源，如果只有幾個(gè)以太網(wǎng)設備需要供電，這是一個(gè)最具成本效益的方法。例如有4至24端口的局域網(wǎng)，它可以是更大規模的多端口網(wǎng)絡(luò )系統的一部分（見(jiàn)圖2）。端點(diǎn)PSE與中跨式PSE不同之處在于它的供電選擇方式——可以與信號線(xiàn)在同一線(xiàn)對上，也可以在空閑線(xiàn)對上。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)PSE必須能夠通過(guò)信號線(xiàn)對或空閑線(xiàn)對提供電源，但不必兩者都用。

圖 2，對中跨式PSE和PD設備來(lái)說(shuō)，電源是通過(guò)空閑線(xiàn)對分配的。中跨式PSE方法更適用于不進(jìn)行大規模變動(dòng)的現有以太網(wǎng)。

　　雖然看似簡(jiǎn)單，但設計這種系統要付出相當的努力。它們必須具備向后兼容性，以保證老設備不會(huì )在以太網(wǎng)上接到48VDC電壓。IEEE 802.3af包含了向后的兼容性，并且包括了為以太網(wǎng)供電的可選擇性，因而也具備向前兼容性。對于一位設計人員，如果他正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品計劃運行在新的或現有系統——用于千兆以太網(wǎng)或 1000BASE-T/TX，從本文中將會(huì )得到一些啟示。
　　面對千兆以太網(wǎng)的電纜選擇
　　千兆以太網(wǎng)可以與端點(diǎn)PSE一同工作，但不能采用中跨式PSE，因為它把CAT-5電纜中的所有四對線(xiàn)都用于數據傳輸。與之相比，10BASE-T 和 100BASE-TX 只用兩對線(xiàn)傳輸數據（線(xiàn)對1-2和3-6），留下的空閑線(xiàn)對（4-5和7-8）可以引入中跨式電源。因此，為了給千兆以太網(wǎng)提供線(xiàn)路供電，就需要端點(diǎn) PSE 交換機。
　　IEEE 802.3af支持CAT-3電纜，因為它最初用于10BASE-T系統。但是，為了最大限度地保證新網(wǎng)絡(luò )部署中信號的完整性，并且考慮到每次電纜鋪設一般有10年的使用期，我們推薦使用盡可能高等級的以太網(wǎng)電纜（CAT-5e 或 CAT-6）。千兆以太網(wǎng)（具體講是 1000BASE-T）需要CAT-5電纜，但有些使用CAT-5的應用以及千兆以太網(wǎng)交換機已經(jīng)接近其最低限度的邊緣。因此，最新的 1000BASE-TX 標準要求使用 CAT-6 電纜，而最初的1000BASE-T標準要求使用CAT-5電纜。
　　檢測PD
　　當PSE連接到以太網(wǎng)上時(shí)，PSE必須檢測每個(gè)以太網(wǎng)設備是否需要供電。因此，PD必須表現出與老式以太網(wǎng)設備不同的特征。在檢測時(shí)，PSE進(jìn)行的是V-I測量，同時(shí)用一個(gè) 2.7V至10.1V的限流電壓對信號線(xiàn)進(jìn)行探測。表 1 列出了作為一個(gè)有效PD在檢測時(shí)所必備的標準。所允許的1.9V偏差是通常用于控制電壓極性的二極管橋路產(chǎn)生的。由于PD必須向后兼容于中跨式PSE應用，所以每個(gè)PD需要兩個(gè)這樣的二極管橋路（見(jiàn)圖3）。10μA的電流偏移通常是由于PD內的泄漏引起的。表2列出了另一個(gè)標準集，任何沒(méi)有通過(guò)這個(gè)標準的以太網(wǎng)設備都是無(wú)效的PD。