以太網(wǎng)供電技術(shù)概述
在過去的一段時(shí)間，以太網(wǎng)供電逐漸進(jìn)入大家的視線，而IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的制定，則為以太網(wǎng)供電的大規(guī)模應(yīng)用拉開了序幕。以太網(wǎng)供電(Power over Ethernet， PoE)是一個(gè)比較通俗易懂的概念，它通過使用一根五類以太網(wǎng)線纜就可以同時(shí)為用戶提供數(shù)據(jù)連接和電源，不需要另外進(jìn)行布線。這不僅對(duì)于那些需要供電、但電源并不方便獲取的設(shè)備特別有幫助，而且一般的終端設(shè)備也可以從這項(xiàng)技術(shù)中獲益，IP電話、無(wú)線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)安全照相機(jī)都是很好的例子。以太網(wǎng)供電的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，主要包括：
·靈活性：交流電源不再是必不可少的部分，無(wú)線接入點(diǎn)也不必再位于交流電源附近。
·遠(yuǎn)程管理功能：IP電話和無(wú)線接入點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程供電或斷電；遠(yuǎn)程主機(jī)可以決定各終端設(shè)備需要多少電量，并確定應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)哪些設(shè)備。
·更高的可靠性：可以在遠(yuǎn)方供電端采用冗余電源。
·全球范圍內(nèi)的兼容性：以太網(wǎng)供電可為我們提供全球范圍內(nèi)通用電源供電標(biāo)準(zhǔn)。
以太網(wǎng)供電技術(shù)通過以太網(wǎng)線纜提供約48伏直流電源，提供給每個(gè)受電節(jié)點(diǎn)的電流限制在350毫安?？鄢€纜傳輸造成的功率損耗，它可提供給每個(gè)受電節(jié)點(diǎn)的總連續(xù)功率為12.95瓦，這對(duì)于一般較為小型的用戶端設(shè)備已經(jīng)足夠。
IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了制造以太網(wǎng)電源供電設(shè)備(Power Sourcing Equipment，PSE)和受電設(shè)備(Powered Device，PD)的方法。供電設(shè)備是向以太網(wǎng)鏈路提供電源的設(shè)備，而受電設(shè)備是從以太網(wǎng)鏈路接受電源或按照一定規(guī)則申請(qǐng)電源的設(shè)備。如果要實(shí)現(xiàn)真正意義上的以太網(wǎng)供電，兩者缺一不可。下面逐一對(duì)以太網(wǎng)供電設(shè)備和受電設(shè)備進(jìn)行介紹。
供電設(shè)備的主要功能為檢測(cè)是否有受電設(shè)備通過以太網(wǎng)鏈路請(qǐng)求供電，以及檢測(cè)受電設(shè)備的類型，并提供相應(yīng)功率的電源給受電設(shè)備。供電設(shè)備根據(jù)其應(yīng)用類型可以分為兩種：終端供電設(shè)備(Endpoint PSE)和中間供電設(shè)備(Midspan PSE)。顧名思義，終端供電設(shè)備可以直接通過下行以太網(wǎng)線纜為受電設(shè)備提供電源，如采用嵌入式“Power over LAN”技術(shù)的以太網(wǎng)交換機(jī)；而中間供電設(shè)備安裝在傳統(tǒng)交換機(jī)和受電設(shè)備之間，傳統(tǒng)交換機(jī)下行的以太網(wǎng)線是不提供電源的，但以太網(wǎng)線纜通過中間供電設(shè)備后就具備了向受電設(shè)備輸送電源的能力，用戶可以在保留現(xiàn)有傳統(tǒng)交換機(jī)的情況下通過以太網(wǎng)為受電設(shè)備提供電源，盡量減少一次性的投資。
供電設(shè)備支持兩種以太網(wǎng)供電模式，分別命名為模式A和模式B：模式A采用以太網(wǎng)線纜中的1，2，3，6 四根數(shù)據(jù)線(注：1，2線為發(fā)送數(shù)據(jù)線，3，6線為接收數(shù)據(jù)線)來(lái)傳輸電源，模式B則采用以太網(wǎng)線纜中的4，5，7，8 四根空閑線來(lái)傳輸電源。終端供電設(shè)備的下行鏈路可以采用模式A，或模式B，也可針對(duì)不同的鏈路分別采用兩種模式。并且這類設(shè)備可以兼容十兆，百兆，乃至千兆的以太網(wǎng)。值得注意的是：在實(shí)際使用中，終端供電設(shè)備不應(yīng)同時(shí)以A和B兩種模式向同一條以太網(wǎng)鏈路上傳輸電源，一條以太網(wǎng)鏈路在同一時(shí)刻只會(huì)工作在一種模式下。而對(duì)于中間供電設(shè)備而言，一般只采用以太網(wǎng)線纜中的4，5，7，8 四根空閑線來(lái)傳輸電源，即只能工作在模式B，并且目前的標(biāo)準(zhǔn)還不支持千兆以太網(wǎng)。
圖1、圖2和圖3分別給出三種供電模式的示意圖，可以幫助大家更好的了解三種供電設(shè)備供電情況的區(qū)別及其各自的應(yīng)用特點(diǎn)。
為了與供電設(shè)備的幾種供電模式相配合，IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備應(yīng)該既可以從以太網(wǎng)線纜中的1，2，3，6 四根數(shù)據(jù)線來(lái)獲取電源，也可以從以太網(wǎng)線纜中的4，5，7，8 四根空閑線來(lái)獲取電源，但不會(huì)同時(shí)通過兩種途徑。原因是供電設(shè)備的一條以太網(wǎng)鏈路不會(huì)同時(shí)工作于A和B兩種模式，從圖1中也可以清楚的看到這一點(diǎn)。當(dāng)然，受電設(shè)備絕對(duì)不允許向以太網(wǎng)線提供電源，而且必須保證受電范圍為直流0-57V電壓而不致?lián)p壞，出于安全考慮，這些規(guī)定是很必要的。

圖1 終端供電設(shè)備(模式A)

圖2 終端供電設(shè)備(模式B)

圖3 中間供電設(shè)備(模式B)

以太網(wǎng)供電技術(shù)原理
如果要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)供電，必須遵循一定的條件。這一點(diǎn)很容易理解，因?yàn)槿绻K端設(shè)備不支持以太網(wǎng)供電方式，但供電設(shè)備對(duì)其強(qiáng)行供電的話，很可能會(huì)出現(xiàn)問題，所以供電設(shè)備必須率先啟動(dòng)檢測(cè)算法，來(lái)判斷是否有受電裝置連接到鏈路。具體方法是向各條下行鏈路饋送2.8V至10V的電壓，并實(shí)時(shí)檢測(cè)線路的電流。當(dāng)有受電設(shè)備連接到以太網(wǎng)鏈路后，受電設(shè)備將一個(gè)阻值在23.75至26.25千歐之間的檢測(cè)電阻串聯(lián)到鏈路中，致使整條鏈路的電流發(fā)生變化，相當(dāng)于向供電設(shè)備發(fā)送有效的申請(qǐng)電源信號(hào)。于是供電設(shè)備知道有受電設(shè)備已經(jīng)連接到以太網(wǎng)鏈路上并正在申請(qǐng)供電。值得說明的是：如果檢測(cè)電阻在12至23.75千歐之間或在26.25至45千歐之間，供電設(shè)備將會(huì)正確檢測(cè)到受電設(shè)備，但并不認(rèn)為受電設(shè)備在申請(qǐng)電源，當(dāng)然也不會(huì)向受電設(shè)備輸送電源，而如果相應(yīng)的電阻值小于12千歐或者大于45千歐，供電設(shè)備將根本不會(huì)正確識(shí)別受電設(shè)備。
一般情況，到此為止供電設(shè)備應(yīng)該可以向受電設(shè)備輸送電源了。但受電設(shè)備種類眾多，需要的電源功率也存在很大差別，所以供電設(shè)備接下來(lái)會(huì)進(jìn)行選擇性的功率分級(jí)操作，以便知道應(yīng)該給鏈路上的受電設(shè)備分配多大功率的電源。具體實(shí)現(xiàn)方法是供電設(shè)備會(huì)增加向鏈路饋送的電壓至15.5V到20.5V之間，同時(shí)檢測(cè)鏈路上的電流。此時(shí)，受電設(shè)備會(huì)將一個(gè)分級(jí)電阻串聯(lián)進(jìn)鏈路中去，該分級(jí)電阻的大小同樣會(huì)直接改變整個(gè)鏈路的電流值，供電設(shè)備由此就可以知道受電設(shè)備的分級(jí)情況。
分級(jí)操作是為了向供電設(shè)備提供受電設(shè)備正常工作時(shí)需要的最大功率信息。默認(rèn)情況下是0級(jí)。受電設(shè)備最好能夠根據(jù)本身的實(shí)際情況向供電設(shè)備上報(bào)自己的實(shí)際級(jí)別，這樣可以方便供電設(shè)備對(duì)受電設(shè)備進(jìn)行電源管理。受電設(shè)備的電源級(jí)別共有0-3級(jí)，在表1中詳細(xì)的列出了幾種級(jí)別的區(qū)分標(biāo)志。
上面提到的檢測(cè)電阻和分級(jí)電阻在完成其各自的使命后應(yīng)該可以從電壓饋送鏈路中移去，才不至于成為一個(gè)新的功率消耗源。較為常見的用法是通過場(chǎng)效應(yīng)管控制檢測(cè)電阻和分級(jí)電阻的連接和斷開，這樣的實(shí)現(xiàn)方法較為靈活。
在了解到受電設(shè)備的確切電源級(jí)別后，供電設(shè)備會(huì)將饋送電壓升高至48伏，開始向受電設(shè)備的電源饋電，但必須注意幾個(gè)因素，如浪涌電流限制、過壓保護(hù)以及欠壓鎖定等問題，這幾點(diǎn)會(huì)結(jié)合TPS2370芯片的應(yīng)用時(shí)具體談到。
 
TPS2370的基本特性
TI公司的TPS2370就是一款專用的受電設(shè)備側(cè)的以太網(wǎng)電源管理芯片，它完全符合IEEE802.3af的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具備所有必須的檢測(cè)、分類、浪涌電流限制等功能，其內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管可以實(shí)現(xiàn)最大容量的電量傳送，此外，它還擁有高可靠性的內(nèi)部過溫保護(hù)功能。
* TPS2370應(yīng)用框圖(見圖4)
* TPS2370引腳說明(見表2)
* TPS2370的應(yīng)用分析
在以上TPS2370的應(yīng)用框圖中，前端的整流橋可以用來(lái)避免輸入電壓的極性倒轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)極性糾正，這樣可以自動(dòng)適應(yīng)不同的電源極性，同時(shí)，它可以使得輸入電壓適當(dāng)降低。而放置兩個(gè)整流橋的目的是可以兼容供電設(shè)備的A和B兩種工作模式，既可以從以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)線中提取電源，也可以從以太網(wǎng)的空閑線中提取電源，這樣可以有較寬的適用范圍。TPS2370的最大允許輸入電壓為68伏，完全滿足IEEE802.3af的要求。實(shí)際應(yīng)用中一般也不會(huì)出現(xiàn)大于68伏的情況，然而不排除會(huì)有熱插拔而引起超過68V的瞬態(tài)高壓，這時(shí)，在整流橋后端放置一個(gè)齊納二極管就顯得非常重要。齊納二極管可以完成過壓保護(hù)功能，最大限度保證后端電路的安全。同時(shí)，通過改變TPS2370引腳ILIM連接的限流電阻值，可以設(shè)定浪涌電流的限制值，用戶可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。
在TPS2370控制下輸出的48伏左右的直流電壓雖然較為穩(wěn)定，但相對(duì)于受電設(shè)備的數(shù)字電路工作電壓來(lái)說顯得太高，所以，緊接著的DC/DC變換器會(huì)將48伏電壓降低至數(shù)字電路需要的電壓等級(jí)。
下面簡(jiǎn)要描述一下基于TPS2370作為以太網(wǎng)電源管理芯片的受電設(shè)備的受電流程。
首先，供電設(shè)備向以太網(wǎng)鏈路上饋送2.8伏至10伏的直流電壓，在前端整流橋和齊納二極管的幫助下，TPS2370可以順利的檢測(cè)到該電壓，并立即激活一個(gè)內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管，相當(dāng)于將DET引腳和VEE引腳進(jìn)行內(nèi)部連接，其結(jié)果是把檢測(cè)電阻串聯(lián)到電壓鏈路，改變整個(gè)鏈路的電流值，此舉將通知供電設(shè)備有受電設(shè)備在申請(qǐng)電源。這個(gè)內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管僅僅在饋送電壓在2.8伏至10伏時(shí)才會(huì)打開。一旦完成了檢測(cè)功能，饋送電壓升高后檢測(cè)二極管自動(dòng)關(guān)閉，不再串聯(lián)在鏈路中。
在成功的檢測(cè)到有受電設(shè)備正在申請(qǐng)電源時(shí)，供電設(shè)備會(huì)增加輸出電壓值到15.5伏至20.5伏之間，開始檢測(cè)受電設(shè)備的功率級(jí)別。TPS2370使用內(nèi)部調(diào)節(jié)器在CLASS引腳產(chǎn)生一個(gè)固定輸出電壓，連接在CLASS引腳和VEE引腳間的分級(jí)電阻也會(huì)開始吸收一定大小的電流，導(dǎo)致整個(gè)鏈路的電流發(fā)生變化，供電設(shè)備根據(jù)此時(shí)的鏈路電流值就可以決定受電設(shè)備的功率級(jí)別，并開始為受電設(shè)備分配相應(yīng)功率的電源，饋送電壓也會(huì)快速升高到48伏左右。
一旦電壓越過欠壓鎖定的門限值(如40伏)，TPS2370內(nèi)部的內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管將自動(dòng)開啟，相當(dāng)于將后端的電源回路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對(duì)后端電路的持續(xù)供電，只有在輸入電壓減少到30伏以下，內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管才會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，停止向后端電路供電。
如果TPS2370后端的受電設(shè)備發(fā)生短路或過載的情況，TPS2370則開始升溫，當(dāng)達(dá)到門檻時(shí)，其內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管被關(guān)斷，停止向后端饋送電源。當(dāng)芯片足夠冷卻后，又將重新開啟內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管，如果短路或過載情況仍然沒有消失，TPS2370會(huì)重復(fù)7次熱關(guān)斷過程，如果還不能正常供電，就會(huì)自動(dòng)閉鎖內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管，除非再次上電才能夠解除閉鎖狀態(tài)。這種熱保護(hù)機(jī)制可以為受電設(shè)備提供可靠的保護(hù)。

結(jié)語(yǔ)
隨著五類以太網(wǎng)線纜延伸到生活中的各個(gè)角落，以太網(wǎng)供電技術(shù)將給我們的生活帶來(lái)巨大的方便，也會(huì)越來(lái)越受到人們的歡迎。對(duì)于設(shè)備制造商而言，盡管現(xiàn)在只有為數(shù)不多的網(wǎng)絡(luò)支持以太網(wǎng)供電，但在新的設(shè)備中預(yù)留以太網(wǎng)供電的接口無(wú)疑是很明智的選擇。在今后的幾年中，以太網(wǎng)供電將怎樣改變我們的生活，我們拭目以待。