以太网供电基础知识

一般发生商业火灾的第三大原因是电气和照明设备上，典型的根本原因是电线老化或有缺陷、电路过载、连接松动、保险丝故障、电气负载不平衡以及许多其他电气或照明问题。这些都可能导致过热，从而产生火花，最终引发火灾。

主电源通过三根绝缘铜线(火线、零线和地线)传输长距离和短距离交流电。火线承载交流电势差(120 VAC 或 230 VAC)。零线完成电路，并保持在地电位或接近地电位(0V)。地线是一种安全线，可在发生故障时将电路接地。简而言之，与保险丝和断路器一样，主电源将其总铜线的 33%(地线)用于安全。

以太网供电 (PoE) 通过供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD) 之间的以太网电缆传输短距离(最长 100 米)直流电。根据 PoE 标准，最多使用八根铜线来传输直流电，包括返回路径。简而言之，PoE 不会将任何铜线用于安全。从理念和架构上讲，PoE 标准将安全控制从铜线(主线)转移到硅线。这里有两个好处：硅比铜便宜得多，而且你可以对硅进行编码。但你不能对铜进行编码。

2 对功率与 4 对功率

以太网使用 RJ45 连接器，该连接器具有八个触点。这些触点分为四个差分 (diff) 对(图 2)。在 10BASE-T (10 Mbps) 和 100BASE-TX (100 Mbps) 网络中，四个可用差分对中只有两个用于传输数据，剩下两个未使用。在千兆以太网 (1 Gbps) 网络中，所有四个差分对都用于数据传输。

利用现有的 10/100/1000 以太网基础设施，IEEE 802.3af(现称为 PoE)提供 350 mA/对、最大 57 V，IEEE 802.3at 提供 600 mA/对、最大 57 V(称为 PoE 1)，使用这些未使用的线对传输电力，实现两种替代模式;替代 A 或 B：

A. 替代方案 A (PSE) 或模式 A (PD) 在不同的 2 对和 3 对上传输电力

B. 替代方案 B (PSE) 或模式 B (PD) 在差分对 1 和 4 上传输电力

同时，PoE 2 或 IEEE 802.3bt 使用全部四个不同的线对以 960 mA/对的电流运行 4 对电源，最大电流为 57。这样 PSE 的功率可达到 90 瓦。

IEEE 802.3bt (90 W) 分类

以太网联盟进一步将这四种类型划分为八个不同的类别，如图 3 所示。对于供电设备 (PSE)，每个 PoE 2 类 (5-8) 为 15 W 切片，而对于受电设备 (PD)，每个 PoE 2 类为 11 W 切片。对类别和类型进行更精细的划分可优化多端口 PSE 的效率，从而为连接的 PD 提供各种电源，尤其是在连接的 PSE 端口数量增加的情况下。

IEEE 802.3af/at/bt 电源供应阶段

PSE 和 PD 之间的 PoE 电源供应遵循五个不同的阶段，如下图和图 4 所示。

· 第一阶段：检测

· 第 2 阶段：分类

· 第三阶段：启动

· 第四阶段：行动

· 阶段 5：断开连接

PSE 包含一个与返回电流路径串联的 Rsense 电阻，用于测量 PD 执行的任何电流吸收。PD 上还有一个 25k 下拉签名电阻，用于通知 PSE 检测到的情况。

第一阶段：检测

当 PSE 和 PD 通过以太网电缆连接时，PD 会向 PSE 提供一个 25 kΩ 下拉电阻(图 4 右)。然后，PSE 在 500 毫秒的窗口内执行两次电流测量：

1) 强制 V 为 2.8 V，并测量 I

2) 强制 V 10 V，并测量 I

通过计算 ∆V / ∆I，如果 PSE 测量值为 19 KΩ 至 26.5 ΩK，则 PSE 可以接受该检测为有效。否则，PSE 必须拒绝该检测。执行差分测量的好处是，任何周围噪声(干扰源)对于每次测量都是共同的，因此将被拒绝(共模抑制)。

第 2 阶段。分类

在分类阶段，PD 会向 PSE 公布其请求的类别特征或功率要求。分类阶段分为五个类别事件或时间段，如图 5 所示。

1) 类别特征 0：1 mA 至 4 mA

2)类别特征 1：9 mA 至 12 mA

3) 类别特征 2：17 mA 至 20 mA

4) 类别特征 3：26 mA 至 30 mA

5) 类别特征 4：36 mA 至 44 mA

此图捕获了每个类别事件(列)期间需要的类别特征(行)，以便识别 PD 类别(1 – 8)。例如，7 类 PD 在类别事件 1 期间将提供 40 mA，在类别事件 2 期间将提供 40 mA，在类别事件 3 至 5 期间将提供 18 mA。PSE 在每个时间事件期间测量 PD 的电流吸收，以了解 PD 的类别。

自动分类

类别事件 1 比其他类别事件长。这是 802.3bt 独有的，802.3at 或 802.3af 则并非如此。如果 PD 也符合 802.3bt 标准，则 PD 可以在类别事件 1 中切换到类别特征 0(1 至 4 mA)81 毫秒，这会通知 802.3bt PSE，PD 也符合 802.3bt 标准并支持 Autoclass。

PD 开启后，PD 会提供最大功率约 1.2 秒。PSE 测量 PD 功率，增加一些余量，这将成为 PSE 提供的新的优化功率水平。

Autoclass 可优化 PSE 功率分配。例如，如果 PD 在运行期间需要的最大功率为 65W，则该 PD 会向 PSE 标识自己为 8 类，以保证 PD 获得 65W。如果没有 Autoclass，PSE 将分配 90W，以确保 PD 获得 65W。使用 Autoclass 时，PSE 可能只读取 66.5 W(短电缆长度)，+ 1.75 W 余量 = 68.25 W 分配。功率节省为 21.75 W，或 ~25%。虽然这似乎并不重要，但如果 PSE 交换机有八个 802.3bt 端口，Autoclass 可以优化每个端口(具有各种电缆长度)，从而总共节省数百瓦的潜在效率。

第三阶段：启动

在启动阶段，PSE 负责将 1 至 4 类的浪涌电流限制在 450 mA，将 5 至 8 类的浪涌电流限制在 900 mA。

在启动阶段，PD 负责将 1 - 6 类的负载电流限制为 400 mA，将 7 - 8 类的负载电流限制为 800 mA。

阶段 4-5：操作、断开和 MPS

维持功率特征 (MPS) 是一种保持活动功能，其中 PD 吸收来自 PSE 的周期性电流脉冲，以通知 PSE PD 尚未断开连接。如果 PSE 在 400 毫秒后未收到来自 PD 的 MPS，则 PSE 必须断开 PD 的电源。

IEE 802.3bt PD 应用框图

描绘了受电设备 (PD) 的典型 802.3bt 应用图。从左到右，变压器将以太网 10/100/1000 数据交流耦合到附近的处理器。全波整流由 GreenBridge™ 2 完成，比传统的硅二极管桥消耗更少的功率。安森美半导体的NCP1095®(引脚 7)提供 25kΩ 检测下拉电阻，而引脚 2 和 3 根据等级(电阻值)确定 PD 的功率要求，并在连接后的分类事件期间传达给 PSE。引脚 6、8、9 和 10 共同控制浪涌和过流保护 (OCP)，带有外部 Rsense 和传输门。与配套处理器的三位通信在引脚 13、15 和 16 上完成。引脚 14 PGO 引脚在电源输出良好时通知下游 DCDC 设备。引脚 4 允许 NCP1095 从本地辅助电源供电，而引脚 6 控制 Autoclass，这是 802.3bt 的一项新功能。

你可以对硅进行编码

保险丝、断路器和地线对于防止电气火灾而言是相对迟钝的工具，尤其是与 IEEE 802.3bt 的功能相比时。它提供的电源配置功能(例如分类、自动分类、浪涌和 MPS)要优越得多。例如，使用主电源时，隐藏在墙壁或天花板中的啮齿动物很容易在没有任何警告的情况下引起电气火灾。相比之下，如果 PD 不每 400 毫秒向 PSE 提供一次 MPS，PSE 会自动断开 PD 的电源。

很容易想象，对 PSE 进行编码以捕获意外断线，从而向 IT 部门发出预警信号，从而有可能防止建筑物火灾等灾难性事件。同时，分类和自动分类可以智能地分配负载所需的确切功率。这是一种非常安全有效的配电方式。如前所述，硅比铜便宜得多，你可以对硅进行编码，但不能对铜进行编码。