实现数据与直流电源在以太网上共线传递的方案

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以太网供电(PoE,Power Over Ethernet)是一种刚被批准为IEEE 802.3af标准的供电技术。它利用了普遍存在的通用以太网络,在传送数据包的同时完成直流电源的输送工作。最近批准的这个IEEE标准似乎将成为第一个通用电源插口或插座定义在全球范围使用的实例。它意味着,对诸如IP 电话、无线接入点以及网络监控摄像头等需要持续供电的各种连网设备来说,不必再连接自己的交流电源。它还意味着这些设备无需放在交流电源插座附近,所以可以省掉电源电缆。

在PoE系统中,通过现有以太网接受电源的客户端设备叫做受电设备(PD),为PD提供电源的设备叫供电设备(PSE)。PD的功耗限制在12.95W,PSE 输出限制为每个RJ-45 端口15.4W。在以太网连接电缆和物理层设备(PHY)变压器保持良好平衡的情况下,每个PD最多可以获取350mA的连续电流。

考虑到沿CAT-5以太网传输线(可达100米长)的电压降,IEEE标准为PD和PSE规定了不同的功率额定值。在较长的链路上电压降会更明显,因此 PSE 的输出电压要高于标称的 48VDC,以使 PD 获得最大功率。因此,在以太网链路上到处都可以见到高达57VDC 的电压。

大多数PoE 网络可以采用端点(endpoint)或中跨式(midspan)PSE 实现。端点PSE在单个设备里集成了以太网交换机和电源,它被放置在以太网链路的另一端。因为在以太网链路的端点已存在电源,这种类型的PSE提供了实现PoE网络的最简便的方法。这种以太网交换机有时也称为已具备“线上电源”(inline power)。如图 1所示,端点PSE很适合用来部署新的基础网络。


对端点PSE和PD设备来说,电源是通过信号线对分配的
图 1,对端点PSE和PD设备来说,电源是通过信号线对分配的。这种类型的PSE提供了实现一个PoE网络最简便的方法,因为电源已经通到了以太网连接的端点上。


 

对于那些不能用这种方式升级的现有以太网,可以采用中跨式PSE,将电源插入到以太网里。中跨式PSE可以通过CAT-5电缆中的“空闲线对”提供电源,如果只有几个以太网设备需要供电,这是一个最具成本效益的方法。例如有4至24端口的局域网,它可以是更大规模的多端口网络系统的一部分(见图2)。端点PSE与中跨式PSE不同之处在于它的供电选择方式——可以与信号线在同一线对上,也可以在空闲线对上。一般来说,一个PSE必须能够通过信号线对或空闲线对提供电源,但不必两者都用。


对中跨式PSE和PD设备来说,电源是通过空闲线对分配的
图 2,对中跨式PSE和PD设备来说,电源是通过空闲线对分配的。中跨式PSE方法更适用于不进行大规模变动的现有以太网。


虽然看似简单,但设计这种系统要付出相当的努力。它们必须具备向后兼容性,以保证老设备不会在以太网上接到48VDC电压。IEEE 802.3af包含了向后的兼容性,并且包括了为以太网供电的可选择性,因而也具备向前兼容性。对于一位设计人员,如果他正在开发的产品计划运行在新的或现有系统——用于千兆以太网或 1000BASE-T/TX,从本文中将会得到一些启示。
 

面对千兆以太网的电缆选择
  

千兆以太网可以与端点PSE一同工作,但不能采用中跨式PSE,因为它把CAT-5电缆中的所有四对线都用于数据传输。与之相比,10BASE-T 和 100BASE-TX 只用两对线传输数据(线对1-2和3-6),留下的空闲线对(4-5和7-8)可以引入中跨式电源。因此,为了给千兆以太网提供线路供电,就需要端点 PSE 交换机。

IEEE 802.3af支持CAT-3电缆,因为它最初用于10BASE-T系统。但是,为了最大限度地保证新网络部署中信号的完整性,并且考虑到每次电缆铺设一般有10年的使用期,我们推荐使用尽可能高等级的以太网电缆(CAT-5e 或 CAT-6)。千兆以太网(具体讲是 1000BASE-T)需要CAT-5电缆,但有些使用CAT-5的应用以及千兆以太网交换机已经接近其最低限度的边缘。因此,最新的 1000BASE-TX 标准要求使用 CAT-6 电缆,而最初的1000BASE-T标准要求使用CAT-5电缆。

检测PD
  

当PSE连接到以太网上时,PSE必须检测每个以太网设备是否需要供电。因此,PD必须表现出与老式以太网设备不同的特征。在检测时,PSE进行的是V-I测量,同时用一个 2.7V至10.1V的限流电压对信号线进行探测。表 1 列出了作为一个有效PD在检测时所必备的标准。所允许的1.9V偏差是通常用于控制电压极性的二极管桥路产生的。由于PD必须向后兼容于中跨式PSE应用,所以每个PD需要两个这样的二极管桥路(见图3)。10μA的电流偏移通常是由于PD内的泄漏引起的。表2列出了另一个标准集,任何没有通过这个标准的以太网设备都是无效的PD。


作为一个有效PD在检测时所必备的标准