硬件设计:POE--POE基础
一、POE相关介绍
POE(Power Over Ethernet)是指在现有的以太网Cat.5布线基础架构上不做任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像头等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。
一个完整的POE系统包括供电设备(PSE,Power Sourcing Equipment)和受电设备(PD,Powered 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。
补充资料：IEEE 802.3af标准是基于POE(以太网供电系统)的新标准，它在IEEE802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。
二、POE供电工作流程
2.1、检测
具体方法是通过检测电源输出线对之间的电阻电容值大小来判断是否存在合法的PD设备。PSE设备会通过供电线路输出两个电压差>1V且都在2.8V~10V范围内的电压(间隔时间>2ms),通过V-I曲线计算斜率，得出PD设备的共模阻抗。
表1 PSE检测共模电阻的判断结果
| PSE检测条件 | PSE判定结果 | ||
| 共模阻抗/KΩ | 关系 | 输入电容/uF | |
| 19~26.5 | & | 0.05~0.15 | 合法的PD设备，可以供电 |
|
≥15&<19 or >26.5&≤33 |
& | 0.05~0.15 | 过渡保护阻抗区，可以供电也可以不供电 |
| <15 or >33 | & | >10 | 无效的PD设备，禁止供电 |
| >500 | & | 线路上无PD设备 | |
为了满足PSE检测要求，802.3af标准要求PD检测状态输入电压范围在2.7~10.1V之间，设计输入阻抗在23.75~26.25KΩ之间，输入电容在0.02~0.12uF之间。
2.2、PD功耗分类(可选)
由于受电设备种类很多，需要的电源功率也各不相同，所以在供电设备正确检测到受电设备以后，就要检测对端PD设备的功率等级。
PSE施加一个15.5~20.5V的探测电压(电流限制在100mA以下)，PD设备会将一个分级电阻串联到线路中，用于标识自己的功率。PSE通过测试返回特征电流的大小来确定PD设备属于哪个等级。分级过程时间限制在10~75ms之间。
表2 分级电流与等级的关系
| 分级电流 | [0mA:5mA] | [5mA:8mA] | [8mA:13mA] | [13mA:16mA] | [16mA:21mA] | [21mA:25mA] | [25mA:31mA] | [31mA:35mA] | [35mA:45mA] | [45mA:51mA] | [51mA:--] |
| 等级 | 0 | 0 or 1 | 1 | 0,1 or 2 | 2 | 0,2 or 3 | 3 | 0,3 or 4 | 4 | 0 or 4 | 0 |
表3 分级电流与等级的关系
| 等级 | 用法 | PSE最小输出功率(W) | PD可用最大功率(W) |
| 0 | 默认 | 15.4 | 0.44-12.95 |
| 1 | 选择 | 4.0 | 0.44-3.84 |
| 2 | 选择 | 7.0 | 3.84-6.49 |
| 3 | 选择 | 15.4 | 6.49-12.95 |
| 4 | 保留 | 按0级处理 | 保留 |
根据802.3af设计规范，要求PD启动分级输入电压范围14.5~20.5V,稳定时间<5ms,且PD吸收的分级特征电流有1mA裕量。
2.3、供电
检测和分级完成后，在一个可配置时间(一般小于15us)的启动期内，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提供48V的直流电源。供电期间，PSE还要对每个端口的供电情况进行监控，提供欠压和过流保护。
2.4、监控
PD通过维持功率特征发送持续工作信号。PD至少要保持10mA且交流阻抗维持在<26.25KΩ与超过0.05uF电容并联，以避免PD掉线。
2.5、电源断电
当PD设备从网络上断开时，PSE就会快速地(一般在300~400ms之内)停止供电，并重复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。
IEEE802.3af标准规定了两种方法让PSE检测PD是否断开，即DC断路检测法和AC断路检测法。
DC短路检测法：根据从PSE流向PD的直流电流大小判断PD是否在线。当电流保持低于阈值Imin(5~10mA)状态持续时间>Tmpd(300~400ms)时,PSE就认为PD不存在，从而切断电源。这种方法的缺点是，当PD工作在低功耗模式时，为避免掉线PD必须周期性地吸取一定的电流。
AC断路法：利用端口的低频AC阻抗测量来检测PD的存在。AC断路法必须检测PD的阻抗<26.5KΩ,为PD提供一个稳定的输出电压来供电。当没有设备连接到PSE时，端口应该是高阻抗，可能达到几兆欧。
三、POE标准供电特性参数
1、电压在44~57V之间，典型值为48V。
2、允许最大电流为550mA,最大启动电流为500mA。
3、典型工作电流为10~350mA,超载检测电流为350mA~500mA。
4、在空载条件下，最大需要电流为5mA。
5、为PD设备提供3.84~12.95W三个等级的电功率要求，最大不超过13W。
四、POE的供电方式
按照POE电源所使用的线路可分为A方式和B方式。
方式A:使用信号线(1,2,3,6)同时传递信号和48V电源；1,2为正极(或负极)，3,6为负极(或正极)，通过网络变压器将差分数据和电源分离开。
方式B:利用空闲线(4,5,7,8)传递48V电源，此方式只用于百兆网口的情况，当设备为千兆网口时，供电线路同方式A。
按照POE电源在网络中的接入点位置分类可分为中间跨接法和末端跨接法。
中间跨接法:48V电源从网络中间接入。
末端跨接法:48V电源从数据设备端输入，一般是从网络变压器外侧的中心抽头上接入。
