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2018-12-07 15:58 出处:其他 作者:佚名 责任编辑:yueyang

  【PConline 干货铺】随着物联网技术飞速发展,需要提供网络服务的终端越来越丰富,使用传统强电的方式为多种多样的智能终端供电变得越来越困难,以太网供电(Power over Ethernet,简称PoE)技术的普及,正逐一解决各类智能终端的供电问题。目前PoE技术已经从传统的WLAN、网络监控、IP电话等应用场景延伸到新零售、IoT(Internet of Things,物联网)、智慧城市等多种场景被广泛应用,具有成本低、施工方便、供电稳定、运维效率高等特点,本文将结合PoE技术发展历程,讲述PoE技术实现原理。

技术背景

  PoE技术在现有的以太网布线结构不做任何改动的情况下,可以实现为基于IP的终端(如IP电话、无线AP、网络监控等)传输数据信号和提供直流供电,并保持了与现存以太网和用户的兼容性。这样不必在施工环境增加开槽、铺管、穿线、调试、墙体和地面美化等工序,大幅缩短了施工周期,降低了成本。

  PoE供电系统中的几个角色定义:

  1、供电设备(PSE):Power Sourcing Equipment,给终端供电的设备;

  2、受电设备(PD):Power Device,需要供电的终端。


图1:PSE与PD连接图

PoE技术发展历程

  PoE技术出现较早,但早期的PoE技术无规范可循。IEEE 802.3工作组在2003年将其标准化,后来逐渐发展到802.3af、802.3at再到最新的802.3bt,接下来,我们一起看看PoE技术的发展历程。

IEEE 802.3af(PoE)

  2003年发布的IEEE 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、安防系统以及无线接入点等设备供电的方式进行了规定,为符合802. 3af标准的设备提供不超过15W的电功率。

IEEE 802.3at(PoE+)

  PoE最大功率难以满足更大功率无线接入点、视频电话、视频监控系统等设备的供电需求,在兼容IEEE 802. 3af的基础上,2009年IEEE 802.3at标准发布,通过CAT-5或更高级别线缆最大能提供30W的功率。

IEEE 802.3bt

  IEEE 802.3bt在2018年9月正式被批准,此次标准主要为提供更大功率终端的需求而诞生,在兼容802.3af、802.3at的基础上,可完成最高不超过90W的末端供电和数据传输,突破了PoE+供电30W的局限性。

  注:802.3bt已被批准但暂未正式发布,也没有正式命名,当前常用HPoE、PoE++、PoH、UPoE等名称表示。

  有了更大的功率,开发人员就可以非常容易地增加更多功能并升级已有产品,以满足监控、门禁、信息发布、停车场,甚至是笔记本电脑、电视等系统中大功率终端供电需求。

  相比802.3at(PoE+)标准,802.3bt新增两种供电类型,对应60W、90W输出功率。PSE端能够输出的功率选择性更大,根据PD需要选择相应的PSE端的功率。

  三种PoE供电技术标准对比如下:


表1:三种标准对

PoE是怎样供电的

  PoE供电流程说明

   


图2:PoE供电流程

  1.检测(Detection):PSE设备在端口发出2~10V的电压脉冲,用于检测其线缆终端连接的PD是否为标准支持的受电设备。只有检测到PD是一个标准设备,才会继续下一步操作。

  2.PD分类(Classification):由于PD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。

  当检测到PD之后,PSE会为PD设备进行分类。PSE施加15.5V~20.5V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,用来标识自己的功率,PSE通过测试返回特征电流的大小来确定PD设备属于哪个分类。

  注:0为默认分类


表2:最新PD分类等级对应功率说明

  3.开始供电(Power up):当PSE检测到线缆末端接的是一个标准PD,并且已经为PD进行了分类后,就开始为PD供电,输出44~57V的直流电压。

  4.供电(Power supply):PSE为PD提供稳定可靠的直流电压,并根据PD的分类结果输出对应等级的功率。

  5.断电(Disconnection):如果和PD相连的连接线缆被拔掉或者用户从软件上将交换机端口的PoE供电功能关闭,PSE会快速地(一般在30-40ms的时间之内)停止为PD供电。在PSE给PD供电整个过程的任意时刻,如果发生PD设备短路、分类时消耗的功率超过 PSE对应能提供的功率、消耗功率超过等级功率等情况,则整个供电过程会中断,并重新从第一步检测过程开始。

PoE供电线序说明

  以PoE标准为例,标准定义了两种供电线序,PSE可适应PD采用任意一种供电线序。

  空闲线供电:使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对(4/5、7/8)来传输直流电。


图3:空闲线供

  信号线供电:在传输数据所用的芯线上同时传输直流电(1/2,3/6),其输电采用与以太网数据信号不同的频率,以实现传输数据与传输电流的复用。


图4:信号线供

  PoE+沿用PoE线序,在线序上同PoE保持一致。

802.3bt如何实现更高的功率

  随着市场发展,终端对高功率需求日益增加。同时伴随功率负载的增加,电缆温度也会提升。当电缆温度过高时,电缆可能会超出其额定温度,从而降低性能和可靠性(可能导致电缆损坏)。因此,对于超过30W供电需求的设备,则不能像PoE与PoE+仅使用双绞线8芯中的4芯供电。

  IEEE 802.3bt标准定义使用双绞线的8芯进行电压输出,以应对市场上对更强大和更高效的以太网供电能力的需求。可以实现:

  (1)最高速率兼容10GBASE-T; 

  (2)在PD端能够得到最低40W、最高90W的功率。


图5:IEEE 802.3bt在PSE&PD端的实现方

  PSE端在实现802.3bt时,在RJ45的8芯上都加载了电压。在1/2和4/5线对上加载54V正极,在3/6和7/8线对上加载54V负极。PD端使用两个二极管桥,两个二极管桥都有电流流过,需要PD端的芯片对两路电流进行控制,输出给 DC-DC 转换电路。

PoE技术总结

  现如今PoE技术已经被广泛运用于智慧城市、IoT等行业中,相信在不久的将来PoE技术会得到更大的发展和突破,随着今年802.3bt正式批准(预计2019年正式发布)更高功率终端很快会被大量应用,将助力IoT行业的快速发展。

  锐捷网络支持PoE技术的产品覆盖在各类园区交换机中,产品大量应用在新零售、互联网、教育、医疗、交通、能源等各个行业,其中接入交换机S2910-H系列还支持大功率802.3bt输出,做到全场景覆盖,电力输出更稳定、安全。

 

 
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