以太网供电（POE）标准IEEE 802.3af

1、 概述
早在1999年，以太网供电已经不是什么新的理念了。实际上，当时已经有许多公司提供了专用解决方案，其中包括3Com、PowerDsine和Cisco等。但比较新颖的想法是制定一项工业标准，以保证各种设备之间实现全面的互操作性。
IEEE在1999年开始制定该标准，最早参与的厂商有3Com, Intel, PowerDsine, Nortel, Mitel和National Semiconductor。但是，该标准的缺点一直制约着市场的扩大。直到2003年6月，IEEE批准了802. 3af标准，它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接入点等设备供电的方式进行了规定。

2、 POE的关键技术
1) POE的系统构成及供电特性参数
一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE, Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD, Po
wer Device)两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载，即POE系统的客户端设备，如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑( PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备（实际上，任何功率不超过13W的设备都可以从RJ45插座获取相应的电力）。两者基于IEEE 802.3af标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系，并以此为根据PSE通过以太网向PD供电。
POE标准供电系统的主要供电特性参数为：
      电压在44～57V之间，典型值为48V。
      允许最大电流为550mA，最大启动电流为500mA。
      典型工作电流为10～350mA，超载检测电流为350～500mA。
      在空载条件下，最大需要电流为5mA。
    为PD设备提供3.84～12.95W五个等级的电功率请求，最大不超过13W。

关于功率五个等级的详细说明：
IEEE 802.3af PoE标准允许设计师通过以太网电缆为用电设备（PD）提供高达12.95W的电
力，同时符合安全特低电压(SELV)要求。根据 IEEE 802.3af标准，PD可按所需功率分为四个不同的级别（第五个等级Class 4是为更高的功率的新标准预留的）。
Class 18023是什么网络用语设备需要的最高工作功率为3.84W；
Class 2设备需要的工作功率介于3.85W和6.49W之间；
Class 3设备的功率范围则介于6.5～12.95W之间。
设计师可以根据功率要求将他们的设备指定为特定的级别。低成本解决方案可以使用一般的默认级别指定(Class 0)，表示PD最高需要12.95W的工作功率。

2) POE供电的工作过程
在分级阶段，PSE将向PD施加15～20V的电压，并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。在此阶段，PD的电源部分将被欠压锁定(UVLO)电路维持在无源状态，以便隔离开关级，直至特征和分级阶段完成。一旦分级完成后，PSE将会向PD提供全额工作电压。

当在一个网络中布置 PSE供电端设备时，POE以太网供电工作过程如下所示：
检测：首先PSE会发送一个测试电压给在网设备以探测受电设备中的一个24.9kΩ共模电阻。
测试信号开始为2.5V，然后提升到10V，这将有助于补偿Cat-5电缆自身阻抗带来的损失。因为这种电缆最长可达100m。如果PSE检测到来自PD的适当阻抗特征(24.9kΩ)，它便会继续提升电压。如果检测不到特征阻抗，PSE将不会为电缆加电。
受电设备电路中的齐纳二极管会保证系统其余部分不受测试信号的干扰。
PD端设备分类：当检测到受电端设备PD之后，PSE将向PD施加15～20V的电压，并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。如果除了探测到第一级的电阻外没发现其他分级电路，该设备被定义成零级别。在此阶段，PD的电源部分将被欠压锁定(UVLO)电路维持在无源状态，以便隔离开关级，直至特征和分级阶段完成。
开始供电：分级完成后，在一个可配置时间(一般小于15μs)的启动期内，PSE设备开始从低电压向PD设备
a)供电，直至提供48V的直流电源。
b)供电：为PD设备提供稳定可靠48V的直流电，满足PD设备不越过12.95W的功率消耗。
c)断电：若PD设备从网络上断开时，PSE就会快速地(一般在300～400ms之内)停止为PD设备供电，并重 
复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。
在把任何网络设备连接到PSE时，PSE必须先检测设备是不是PD，以保证不给不符合POE标准的以太网设备提供电流，因为这可能会造成损坏。这种检查是通过给电缆提供一个电流受限的小电压来检查远端是否具有符合要求的特性电阻来实现的。只有检测到该电阻时才会提供全部的48V电压，但是电流仍然受限，以免终端设备处在错误的状态。作为发现过程的一个扩展，PD还可以对要求PSE的供电方式进行分类，有助于使PSE以高效的方式提供电源。一旦PSE开始提供电源，它会连续监测PD电流输入，当PD电流消耗下降到最低值以下，如在拔下设备时或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等，PSE会断开电源并再次启动检测过程。
电源提供设备也可以被提供一种系统管理的能力，例如应用简单网络管理协议(SNMP)。这个功能可以提供诸如夜晚关机、远端重启之类的功能。
研究POE的供电方式可以看出，在供电的过程中有两个关键的问题需要考虑，一个是对于PD设备的识别，另一个是系统中UPS的容量。
3) POE通过电缆供电的原理
标准的五类网线有四对双绞线，但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。
IEEE80 2.3af允许两种用法如图1和图2所示。

                                                                图1 通过空闲脚供电

                                                                图2 通过数据脚供电
应用空闲脚供电时，4、5脚连接为正极，7、8脚连接为负极。

应用数据脚供电时，将DC电源加在传输变压器的中点，不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。

标准不允许同时应用以上两种情况。电源提供设备PSE只能提供一种用法，但是电源应用设备PD必须能够同时适应两种情况。该标准规定供电电源通常是48V、13W的。PD设备提供48V到低电压的转换是较容易的，但同时应有1500V的绝缘安全电压。
POE标准还规范了传送电功率应使用的非屏蔽双绞线对电缆，即3、5、5e或6类电缆。明确了与其一起工作的现存电缆设施不需要任何改动，这其中包括3、5、5e或6类电缆、各种短接线与接线板、电源插座引线和连接的硬件等。POE标准与IEEE 802.3标准系列兼容。

4)  POE的两种供电方法
POE标准为使用以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的设备定义了两种方法：一种称作“中间跨接法”( Mid -Span )，使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电，相应的Endpoint PSE支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或其他网络交换设备。另一种方法是“末端跨接法”(End-Span)，是在传输数据所用的芯线上同时传输直流电，其输电采用与以太网数据信号不同的频率。Midspan PSE是一个专门的电源管理设备，通常和交换机放在一起。它对应每个端口有两个RJ45插孔，一个用短线连接至交换机，另一个连接远端设备。可以预见，End-Span会迅速得到推广，这是由于以太网数据与输电采用公用线对，因而省去了需要设置独立输电的专用线，这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。

图3是POE供电系统的一个实例，由供电设备PSE 、受电设备PD和相关的配套设备及以太网传输电缆组成。
图3 符合IEEE 802.3af标准的以太网供电系统实例
当PD设备与POE标准兼容时就可直接通过RJ-45插座从以太网电缆供电，对于与POE不兼容的设备可以采用直流变换器或抽头分压装置的方法，将其电压变换成POE兼容的电压。这些装置有时也被称为有源以太网分裂器(Sputters)，它可以将太网电缆的直流电压取出来并通过常规的直流插座供PD设备使用。