PoE 和PoE+，一文来了解以太网供电

SIN2020

与采用单独系统的安装相比，通过在单根 Cat3 或 Cat5 电缆上组合提供电力传输和通信，工程师能够以较低的成本快速构建以太网网络，并且网络维护工作少。这项技术已根据电气电子工程师协会 (IEEE) 标准迅速采纳并正式化，这也并不足为奇。该技术被称为“以太网供电”(PoE)，主要优势在于简易性，并且只要有数据插座，即可随时供电。
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5 }. b" c) C' _" }+ x, E7 q# y        本文介绍了 PoE 和更高功率的 PoE+，概述了各种标准，说明了组成部件、用电设备、供电设备、“中跨”和“端跨”以太网交换机和分离器，并描述了一个简单的系统。
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早期的 PoE
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        PoE 最初出现是为了解决互联网语音协议 (VoIP) 电话的供电问题。传统电话直接通过承载语音呼叫的铜线来供电。但是，越来越流行的 VoIP 电话并未连接到这些常规电路，而是通过公司局域网 (LAN) 的以太网电缆进行通话。以太网电缆不传输电力，因此 VoIP 电话必须通过适配器插入电源。这是一种不太完善的解决方案，如果建筑物内发生断电，电话将无法使用。

; ^% n9 u" C( Q- g4 m* [" ?. Q        2000 年，电信设备供应商 Cisco 通过引入专有技术，使以太网电缆能够为 VoIP 电话提供 48 VDC 的电力，从而成为模仿传统电话系统的第一家公司（图 1）。然而，PoE 的真正爆发是在 2001 年和 2002 年，当时其他制造商纷纷采用了该技术，特别是无线接入点制造商。

图 1：Cisco 采用 PoE 技术的 VoIP 电话（图片由 Cisco 友情提供）。

# @3 _- m  [& P7 t            这项技术最终引起了 IEEE 的关注，IEEE 早在 1983 年就负责制定“以太网标准”(IEEE 802.3)。该组织认为创建一个标准版本的 PoE 非常重要，这样任何制造商都可以让自家的产品“支持 PoE”。这项工作被分配给 IEEE 802.3 以太网委员会下设的一个工作小组委员会，并命名为“802.3af”。到 2003 年 6 月，该工作小组委员会批准了 IEEE 802.3af PoE 标准。2009 年，第二项标准 IEEE 802.3at 获得批准，该标准定义了类似的技术，但可以处理更高功率。
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标准中定义了那些内容？

IEEE 802.3af 详细定义了一种 PoE 技术，旨在为每个设备提供高达 15.4 W DC 电源（最小 44 VDC 和 350 mA）。（由于电缆中的损耗，只能保证为用电设备提供 12.95 W。）
3 L7 ~( g4 C! A  ~该技术使用单个标准 RJ45 连接器和 Cat5（甚至 Cat3）电缆，可处理数十瓦的功率。在安装以太网网络进行通信后，也可以用于供电，从而节省材料、人工、安装时间和持续性的维护成本。
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由于典型的 10 到 100 Mbps 物理层仅需要 Cat5 电缆中四对绞线中的两对，因此可以在以太网电缆的未使用导线上传输电力（此技术在 IEEE 标准中称为“方案 B”）。通过向每对绞线施加共模电压，也可以在电缆的数据导线上传输电力。由于以太网使用差分信号传送，因此这不会干扰电缆的数据传输（标准中的“方案 A”）。
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" D; Z1 i# i8 V' T# K, ~IEEE 802.3af 定义了两种类型的 PoE 设备：供电设备 (PSE) 和用电设备 (PD)。PSE 会从自己的常规电源中获取电力，然后管理通过以太网电缆网络传送给 PD 的电力，PD 可以通过 RJ45 连接器获取所需的电力，从而无需内置电源。PoE 能够在运行长度达 100 米的典型以太网电缆上为 PD 供电。PD 设备包括原始 VoIP 电话和无线接入点、安防摄像头、收银机 (PoS) 终端、温度控制系统，甚至机载娱乐系统等。

$ K! J2 J& X8 d9 {% `除了将现有的备用对和共模数据对电力传输做法进行标准化，IEEE PoE 标准还规定了 PSE 与 PD 之间的信号传送。此信号传送可让 PSE 检测到符合规范的设备，避免对连接到网络的非 PoE 设备造成损害。PSE 和 PD“协商”所需或可用的功率。为了检测 PD，PSE 会在导线两端施加一个 2.8 至 10 V 的直流电压。然后，PSE 通过测量环路电流来确定是否有连接的 PD。PD 应呈现 19 至 27 kΩ 的阻性负载，并使用不超过 120 nF 的并联电容器作为标记。

+ q0 c( ^( J' ?' O图 2 显示了为 PD 供电的 PSE 原理图。

图 2：典型的 PoE 应用（图片由 Texas Instruments 友情提供）。

增强的标准
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8 K% f5 ?6 B6 s: O5 F% S尽管 PoE 可为 PD 提供约 13 W 的功率，但某些设备可能会受益于更高的功率（例如，具有平移、倾斜和缩放 [PTZ] 功能的摄像头）。为了满足这些产品的需求，第二项标准 IEEE 802.3at 于 2009 年应运而生。该技术又称为“PoE+”，可为 PD 提供高达 25.5 W 的直流电。PSE 提供 50 至 57 VDC，而 PoE 技术提供 44 至 57 VDC。PoE+ 的电流增加至 600 mA，而早期技术的电流为 350 mA。

PoE+ 仅使用 Cat5 电缆（与 Cat3 的四根线相比，它内部有八根线），这降低了可能的阻抗机会并减少了功率耗散。此外，PoE+ 还为网络管理员提供了更多功能，例如提供新的远程电源诊断、状态报告和 PD 电源管理功能（包括嵌入式设备的远程电源循环）。

最后，PoE+ 提供动态功率分配、优化的配电和良好的电源利用率，从而提高了系统效率并降低了成本。
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' z2 Y7 u5 _# \6 b5 m表 1 比较了 PoE (IEEE 802.3af) 和 PoE+ (IEEE 802.3at)。

[td]                     属性 IEEE 802.3af IEEE 802.3at Type 2 PD 可用功率 12.95 W 25.50 W PSE 提供的最大功率 15.40 W 34.20 W 电压范围（PSE 端） 44.0-57.0 V 50.0-57.0 V 电压范围（PD 端） 37.0-57.0 V 42.5-57.0 V 最大电流 350 mA 600 mA 电源管理 三个功率等级 四个功率等级 支持的电缆 3 类和 5 类 5 类及以上 支持的模式 方案 A 和 B 方案 A 和 B $ E' S! n4 t, ?6 m+ W6 L% H6 K

表 1：PoE 和 PoE+ 之间的比较。

端跨和中跨
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PSE 可以实现为端跨（支持 PoE 的以太网交换机），也可以实现为中跨（一种电源集线器，可与网络上已安装的非供电以太网交换机结合使用）。无论是端跨还是中跨方式，PD 都可以同样有效地接收电力。
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# V% v- r( d0 y9 r端跨直接为设备供电。根据规格，端跨可以使用电缆中的备用对或数据对，这些线对也可用于千兆位以太网传输。端跨需要支持 PoE 的交换机，因此通常指定用于需要全新设备的新安装。

  W& V# t5 v, o( k) V中跨使用中间供电的接插板或“供电器”，放置在现有以太网交换机与 PD 之间。中跨通常位于交换机的相邻位置，因此视为 PSE，从而允许电缆不受阻碍地布设到远程设备。该规格仅允许中跨使用电缆中的备用对；因此，它们不能用于通过数据线传送电力，例如千兆位以太网连接。
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. N- J3 j" R# M目前有许多中跨供电器可供使用，能添加到传统以太网。Laird Technologies 为此应用提供了 POE-48I 电源。该电源可在输入端自动调节范围，提供稳压输出。该设备可与任何符合 IEEE 802.3af 标准的设备配合使用。POE-48I 具有一个端口，可在 500 mA 下提供 48 V 的电压，最高功率可达 24 W。
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* o( h: Q4 g2 g* RMicrosemi Analog Mixed Signal Group 提供了一款符合高功率 IEEE 802.3at 标准的单端口中跨供电器 PowerDsine 9001GR。9001GR 在 55 V 下产生高达 30 W 的功率，可为包括 PTZ 摄像机和可视电话在内的一系列新应用提供远程电源。该设备向后兼容 IEEE 802.3af，可为现有的 10/100Base-T 网络设备和新兴的无线 1000Base-T 设备（例如 WiMAX 和 IEEE 802.11n 无线接入点）供电。图 3 说明了典型的应用。

图 3：PowerDsine 9001GR 中跨以太网交换机的应用示例。

市场上还有许多多端口中跨设备。Phihong 提供了 8、16 和 24 端口中跨。POE370U 是一款符合 IEEE802.3af 标准的 24 端口中跨供电器。每个端口可提供 15.4 W 的功率，而无需额外的电源管理。该设备提供检测、断开和过载保护，并可与 1 U 机架安装套件一起提供。
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* }) W: c2 |( }4 D& E: r6 u; t此外，中跨供应商还可以提供“分离器”。这些设备使用的 PoE 输入分为两个输出：数据和电源。电源可通过更传统的方式（如直流电缆）重新引导至终端设备。分离器充当合规 PSE 与不合规 PD 之间的中介设备。

" \6 V5 c, y0 @8 W* KLaird Technology 提供了 POE-12S-AFI 有源 PoE 分离器，该分离器可以接受来自任何 IEEE 802.3af 路由器或电源的 PoE 供电。该设备具有过载和短路保护功能，当检测到短路时会立即关闭电源，而不会对 PoE 系统造成任何损坏。

+ k" g$ b* N* `# v2 g% Q6 I. T6 F端跨或中跨 PoE 网络的选择

- S& F, H! c* r- u端跨实施成本较高，并且仅支持 IEEE 标准定义的 PD，但是选择此技术有一些很好的理由。例如，如果工程师要更换所有旧交换机，或者如果是新安装，则倾向于选择端跨交换机。
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另一个使用端跨的原因是，可避免将常规以太网交换机连接到中跨 PoE 集线器所带来的繁杂不便的额外接插线以及额外的工作。此外，用两台设备代替一台设备会使潜在的故障点加倍，并且对于坚持为网络上的每台设备使用单独 IP 地址的公司，这会让管理员的工作更加复杂。

如果工程师选择端跨交换机，则应注意，许多端跨设备最多只能提供 200 W，因此 24 端口交换机每个端口最多只能提供 8.3 W，低于 PoE 标准中指定的 15.4 W 最大功率。

4 N" ~* O- W  G- `* h( C如果工程师拥有相对较新的以太网交换机，则会更青睐中跨交换机，因为仅仅为了获得 PoE 功能而更换交换机的成本高昂。不过，工程师必须确保交换机制造商乐意网络支持中跨产品，并确保有足够的空间容纳它们。
* A0 U9 v$ C) b# Z. ^; u
' M# X1 E8 i/ B- K; r" V; k0 x从电气角度来看，如果网络工程师希望为特定的 PD 使用非标准电压（例如 24、12 和 5 V），并且希望最大程度地利用每个端口的可用功率，则中跨交换机是首选。对于包含许多自带电源的传统设备和 PoE 设备的网络，中跨交换机也是有用的选择。
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与端跨相比，中跨交换机的保修期更长（分别为一年和两年），并且同时支持标准应用和专有应用。
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5 X2 L& b8 O+ m/ }( c# A图 4 显示了使用端跨和中跨交换机构建的网络。

图 4：使用端跨和中跨交换机的网络示意图。

; g2 ?3 D; ?  a6 P1 ?: k传统上，PSE 采用分立电路，并划分为电源与以太网络之间的通信接口，以及电源本身。不过，为使实施更加容易，芯片供应商纷纷推出了集成 PSE 控制器，以优化 PoE+ 安装的操作。

8 q+ J% L% u0 b8 H  ?) E# Q) O! i  X这些控制器通过将接口电路与线性稳压器或开关电源结合使用，来降低 PoE 和 PoE+ 设备所需的外部元器件的复杂性和数量。该稳压器或开关电源可将电源电压转换为适用于以太网电缆的 50 至 57 VDC。

接下来是什么？- IEEE 802.3bt
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综上所述，PoE 自本世纪初发展至今，已经成为一种特别适合商业和工业应用的流行技术。该技术的实施相对简单，尤其是对于新安装的系统，并且中跨交换机的推出缓解了在传统网络中添加 PoE 的挑战。PoE+ (IEEE 802.3at) 的推出增加了 PD 的可用功率，从而导致了新应用的引入，这些应用以前因为功耗太大，无法使用旧技术运行。

) `* a& i( L) J; {自 2009 年 IEEE 802.3at 被批准以来，PoE 技术不断发展，因为工程师们热衷于增加新的 PD，而这些 PD 需要更大的功率。为了补充 IEEE 802.3at 的不足，市场上出现了许多不同名称的专有 PoE 协议，这些协议能够提供高达 60 W 至 95 W 的功率，例如：
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• UPoE (Cisco)
• LTPoE (Linear Tech/Analog Devices)
• PoH (MicroSemi/Microchip)
• PoE++（工业）
• 4PPoE（工业）
  

请注意，这些技术不符合现行标准，并且不能互操作，这可能对不兼容硬件造成危害。但是，它们确实为待制定的更高功率版本标准开创了先例。

, e; z% ^$ \& N! v  ^5 H! E7 O2018 年底，新的 PoE 标准 IEEE 802.3bt 获得批准，该标准允许从 PSE 端传送 90 W 的功率，其中可向 PD 提供 71.3 W。

表 2 总结了所有标准的 PSE 传送功率能力和 PD 接收功率能力：

[td]                     标准 PSE 最小输出功率 可保证的 PD 最小输入功率 以太网电缆类别 以太网电缆长度 以太网供电电缆对 IEEE 802.3af 15.4 W 12.95 W Cat3 100 m 2 对 IEEE 802.3at 30 W 25.5 W Cat5 100 m 2 对 IEEE 802.3bt 60 W 51 W - (60 W) Cat5e 100 m 2-4 对 IEEE 802.3bt 90 W Cat5e 71.3 W - (90 W) 100 m 4 对 + n% L9 |; e" o: _: S. Q

表 2：所有标准的 PoE 供电能力（图片由 Microchip 友情提供）

注 1：如果电缆长度为 2 至 5 米，则用于 PD 输入的扩展供电能力可达 60 W 和 90 W。

除了能够通过以太网电缆传输更多电力外，与以前的 IEEE 802.3af 和 IEEE 802.3at 标准相比，新的 PoE IEEE 802.3bt 标准还定义了许多其他新功能/改进，包括：

• 支持两种 PD 结构：单特征 PD 和双特征 PD
• 通过以太网电缆的四对绞线工作
• 自动分类功能
• 已知电缆长度的扩展供电能力
• 低待机功耗支持（短 MPS）
• 支持 2.5G-BaseT、5G-BaseT、10G-BaseT
• 向后兼容 IEEE 802.3at/af
  

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PoE 和PoE+，原来以太网供电的是这样的。PoE 自本世纪初发展至今，已经成为一种特别适合商业和工业应用的流行技术。该技术的实施相对简单，尤其是对于新安装的系统，并且中跨交换机的推出缓解了在传统网络中添加 PoE 的挑战。PoE+ (IEEE 802.3at) 的推出增加了 PD 的可用功率，从而导致了新应用的引入，这些应用以前因为功耗太大，无法使用旧技术运行。

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之前有做过POE交换机，决大部分应用都是终端连接摄像头的。对于60W和90W的应该损耗太大了，PSE端额定电压一般设置54.5V，一个比较尴尬的值，一定会用到升压或降压，是一大损耗；POE芯片管理芯片发热也是不小的，特别是集成MOS管的，之前做过一个60W 4POE的产品，加铝块散热器温度也是几分钟过百，固定温度探头的胶直接给融化掉的；水晶头和网线都有特性阻抗的，之前随便拿了一根网线（不知道规格，但肯定不是5类线），POE芯片到PD接收端之间的传输功耗是3点几瓦，手摸网线能明显感觉得到温升；PD端为了防反，会加一个整流桥和电压转换电路又是一个损耗。这也就是PSE端电压远远大于PD端电压的原因。对于实际功率几瓦的终端设备来讲是便利，对功率较大的设备来讲还是外设电源更加可靠。